[0001] Beispielsweise bei den Einspritzventilen von Dieselmotoren werden Ventilspindeln benötigt, die extrem präzise zylindrisch sind. Diese Ventilspindeln dürfen praktisch keinen Gestaltsfehler aufweisen in dem Sinne, dass sie von einem Ende zum anderen Ende keglig zulaufen. Der Sitz der Ventilspindel und damit die Dichtheit würden sonst beeinträchtigt sein.
[0002] Zum Schleifen solcher Ventilspindeln ist es bekannt, sie zwischen Spitzen in einer Schleifmaschine zu schleifen, wobei die Schleifscheibe tangential angreift. Während des Schleifvorgangs wird bei der bekannten Schleifmaschine mit zangenartigen Messmitteln der Durchmesser an den beiden Enden des Werkstücks ermittelt. Der Wert wird angezeigt und ermöglicht es dem Bediener, den Reitstock längs einer Verstellachse quer zu verstellen, bis der Gestaltfehler minimal wird. Zum Verstellen des Reitstocks ist eine handbetätigte Stelleinrichtung vorgesehen.
[0003] Eine solche Nachstellung ist erforderlich, weil sich im Laufe des Betriebs durch Temperatureinfluss Fluchtungsfehler hinsichtlich der Werkstückspindel und des Reitstocks einstellen. Wenn diese beiden Achsen in der Ebene gegeneinander verstellt sind, wird ein kegeliges Werkstück erzeugt.
[0004] Ähnliche Fehler verursachen kegelig abgerichtete Schleifscheiben.
[0005] Bei all diesen Fehlern ist der Versatz der Rotationsachse des Werkstücks in radialer Richtung bezüglich der Schleifscheibe relevant. Ein tangentialer Versatz spielt keine Rolle, weil die radiale Änderung bei Abweichung in tangentialer Richtung so gering ist, dass der durch die Kreisform der Schleifscheibe verursachte radiale Unterschied zu einem vernachlässigbaren Fehler führt.
[0006] Im Prozess geht man deswegen her und misst die nach dem Schleifen erhaltenen Werkstücke aus, um beispielsweise für das übernächste Werkstück an der Schleifmaschine eine Trendkorrektur vornehmen zu können.
[0007] Eine Korrektur am Werkstück selbst während des Schleifvorgangs wurde bislang nicht vorgenommen.
[0008] Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Schleifmaschine zu schaffen, bei der die Verstellung des Reitstocks automatisierbar ist.
[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit der Schleifmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst.
[0010] Bei der neuen Schleifmaschine sitzt auf dem Maschinenbett ein Werkstückspindelstock, mit dem das zu schleifende Werkstück bezüglich einer Rotationsachse angetrieben wird. Ferner ist mit dem Maschinenbett eine Gelenkanordnung verbunden, über die der Reitstock an dem Maschinenbett befestigt ist. Der Reitstock ist mit Hilfe der Gelenkeinrichtung quer zu der Rotationsachse des Werkstücks bewegbar.
[0011] Ausserdem ist bei der Schleifmaschine ein Aktuator vorgesehen, der an dem Reitstock angreift, um den Reitstock längs der Verstellachse zu bewegen, die sich quer zu der Scharnierachse erstreckt.
[0012] Da zum Verstellen des Reitstocks ein Aktuator verwendet wird, anstelle der normalen handbetätigten Anordnung, besteht die Möglichkeit, die Schleifmaschine zu automatisieren in dem Sinne, dass der Zylinderfehler automatisch beim Schleifen des betreffenden Werkstücks kompensiert wird.
[0013] Die Bewegung des Reitstocks ist wegen seiner vergleichsweise kleinen Masse vorteilhaft. Es ist grundsätzlich aber auch denkbar, anstatt den Reitstock über eine Gelenkanordnung mit dem Maschinenbett zu verbinden, dies mit dem Werkstückspindelstock zu tun und diesen zum Zweck der Korrektur des Kegelfehlers quer zu der Rotationsachse des Werkstücks zu verstellen.
[0014] Die Gelenkanordnung ist im einfachsten Falle ein Scharnier mit einer Scharnierachse, die parallel zu der Rotationsachse des Werkstücks liegt. Gleichwohl sind andere Gelenkanordnungen auch denkbar, beispielsweise Kugelführungen, wobei dann die Bewegungsachse quer zu der Rotationsachse ausgerichtet ist. Insgesamt eignet sich hierfür jede Gelenkanordnung, die hinreichend spielfrei ist, die Genauigkeit des herzustellenden Werkstücks nicht zu beeinträchtigen.
[0015] Die Korrektur des Zylinderfehlers während des Arbeitsvorgangs ermöglicht ausserdem einen schnelleren Schleifprozess. Die Zeitdauer für den Schleifprozess wird wesentlich durch die Anpresskraft bestimmt, mit der Werkstück und Schleifscheibe aneinander angepresst werden. Für den betrachteten Arbeitsvorgang muss die Schleifscheibe als elastisch angenommen werden, wobei die Elastizität innerhalb der Schleifscheibe nicht homogen ist und bereits hierdurch Kegelfehler auftreten können. Da die Zylindrizität während des Schleifvorgangs gemessen wird, kann das Ausweichen der Schleifscheibe bei hohen Anpressdrücken kompensiert werden.
Einfügung 1
[0016] Um den Zylinderfehler während des Schleifens zu messen, ist zweckmässigerweise eine Messeinrichtung vorgesehen, um den Durchmesser des Werkstücks an wenigstens zwei Stellen zu messen. Um die Messung möglichst wenig durch eine Verstellung des Reitstocks zu beeinflussen, wird mit Hilfe der Messeinrichtung ein Durchmesser gemessen, der in einer Ebene liegt, auf die die Verstellachse des Aktuators senkrecht steht.
[0017] Eine besonders fehlerfreie Verstellung, weil spielfrei, lässt sich erreichen, wenn die Scharnieranordnung, mit der der Reitstock an dem Maschinenbett befestigt ist, von einem Biegescharnier, beispielsweise in Gestalt einer Biegefeder, gebildet ist.
[0018] Die Reitstockspindel ist in einem Reitstockgehäuse gelagert, das über die Biegefeder und eine Art Support auf dem Schienenbett sitzt.
[0019] Eine besonders schnelle und hochgenaue Verstellung ist möglich, wenn der Aktuator ein piezoelektrischer Aktuator ist. Der mit einem solchen piezoelektrischen Aktuator erreichbare Verstellhub von insgesamt ca. 120 Mikrometer reicht in der Regel vollständig aus. Die Genauigkeit wird durch die geringe Hysterese des piezoelektrischen Aktuators begünstigt. Dabei wird die Anordnung so gestaltet, dass die Biegefeder bereits vorgespannt ist, wenn der Aktuator nicht mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt ist.
[0020] Die mit einem solchen Aktuator zu erzielenden Kräfte liegen bei ca. 240 N, was für den vorliegenden Anwendungsfall ausreicht.
[0021] Um zu verhindern, dass Quer- oder Biegekräfte auf den Aktuator übertragen werden, ist es vorteilhaft, wenn der Aktuator über Biegefedern entkoppelt wird. Diese Biegefedern können an einem oder vorzugsweise an beiden Enden vorhanden sein. Im einfachsten Falle sind solche Biegefedern rotationssymmetrisch, damit der Aktuator auf keinen Fall nennenswert verspannt wird.
[0022] Mit der neuen Schleifmaschine ist es auch möglich, während der Bearbeitung des Werkstücks ein Nachstellen vorzunehmen, um den Zylinderfehler praktisch auf null zu korrigieren. Dazu enthält die neue Schleifmaschine einen Regelkreis, der die Messwerte von zwei Durchmesser-Messeinrichtungen zugeführt werden. Aus diesem Signal wird in dem Regelkreis das Steuersignal für den Aktuator erzeugt.
[0023] Im Falle eines Aktuators, der selbst keine Integralcharakteristik aufweist, ist es zweckmässig, wenn der Regler ein Integralregler ist bzw. einen Integralanteil enthält.
[0024] Mit einer mit einem Steuerkreis versehenen Schleifmaschine ist es auch möglich, gezielt unrunde Werkstücke zu erzeugen. So wird mit der Schleifspindel Drehgeber gekoppelt, so dass der Sollwert für den Aktuator entsprechend der Drehstellung des Werkstücks verstellt wird. Der Werkstückspindelstock sitzt auf einer Anordnung ähnlich der beschriebenen Anordnung für den Reitstock.
[0025] Im Übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
[0026] Im Übrigen erkennt der Leser beim Studium der Figurenbeschreibung, dass eine Reihe von Abwandlungen möglich sind.
[0027] In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>den prinzipiellen Aufbau einer Aussenrundschleifmaschine in einer Draufsicht unter Veranschaulichung des auftretenden Fehlers,
<tb>Fig. 2<sep>den Reitstock, der erfindungsgemässen Schleifmaschine in einer Stirnansicht auf die Spitze der Reitstockspindel,
<tb>Fig. 3<sep>das Blockschaltbild für einen Regelkreis zur automatischen Fehlerkorrektur,
<tb>Fig. 4<sep>ein anderes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemässe Schleifmaschine in einer stark vereinfachten Draufsicht,
<tb>Fig. 5<sep>das Blockschaltbild für eine Steuereinrichtung zum Erzeugen unrunder Werkstücke und
<tb>Fig. 6<sep>das Blockschaltbild für einen Regelkreis zur automatischen Fehlerkorrektur unter Verwendung eines Messtasters zum Erfassen der Auslenkung, die durch den Aktuator verursacht wird.
[0028] Fig. 1 zeigt in einer Ansicht von oben die zum Verständnis der Problematik wesentlichen Teile einer Aussenrundschleifmaschine. Zu der Maschine gehören ein Werkstückspindelstock 1, ein Reitstockspindelstock 2 sowie eine Schleifeinheit 3, die auf einem nicht weiter dargestellten, in der Zeichenebene darunter befindlichen, Schleifmaschinenbett angeordnet sind. Der Werkstückspindelstock 1 enthält eine drehbar gelagerte Werkstockspindel 4, die über eine Motoreinheit 5 wahlweise in Umdrehung zu versetzen ist. Die Werkstückspindel 4 trägt eine Körnerspitze 6 zum Einstecken in eine Zentrierbohrung eines Werkstücks 7.
[0029] Die Werkstückspindel 4 definiert eine erste Rotationsachse 8.
[0030] Der Reitstock 2 weist eine Reitstockspindel 9 auf, die an ihrem freien Ende eine fest stehende Körnerspitze 10 trägt. Mit ihrer Hilfe wird das Werkstück 7 an einer weiteren Zentrierbohrung in der Schleifmaschine 1 gehalten.
[0031] Durch den Reitstock 2 wird eine zweite Rotationsachse 11 für das Werkstück 7 definiert. Diese Rotationsachse fällt im Idealfall mit der ersten Rotationsachse 8 zusammen.
[0032] Seitlich neben der Anordnung aus Werkstückspindelstock 1 und Reitstock 2 befindet sich die Schleifeinheit 3. Die Schleifeinheit 3 setzt sich aus einem Antrieb 12 und wenigstens einer Schleifscheibe 13 zusammen, die um eine Achse 14 rotiert, die parallel zu den Rotationsachsen 8 und 11 ausgerichtet ist.
[0033] Um das Werkstück 7 bearbeiten zu können, ist die Schleifeinheit 3 in Richtung parallel zu einem Doppelpfeil 15 auf das Werkstück 7 zustellbar. Der Doppelpfeil 15 repräsentiert damit die Zustellachse der Schleifeinheit 3.
[0034] Um lange Werkstücke über die gesamte Länge bearbeiten zu können, ist die Schleifeinheit 3 ausserdem in Richtung parallel zu der Rotationsachse 14 entsprechend einem Doppelpfeil 16 zu bewegen. Der Doppelpfeil 16 repräsentiert somit gleichzeitig die Vorschubachse.
[0035] Die Antriebe, um die Schleifeinheit 3 längs den Vorschub- und der Zustellachsen 15, 16 zu bewegen, sind in der schematischen Darstellung nicht gezeigt.
[0036] Wenn die Rotationsachse 8 mit der Rotationsachse 11 zusammenfällt, wird beim Schleifvorgang ein exakt zylindrisches Werkstück 7 erzeugt. Wenn hingegen die Rotationsachse 11 gegenüber der Rotationsachse 8, wie angedeutet, in der Zeichenebene, gegeneinander versetzt sind, wird ein Werkstück erzeugt, das sich in Richtung auf das Ende, das dem Reitstock 2 benachbart ist, konisch oder kegelig verjüngt.
[0037] Ein Versatz der beiden Rotationsachsen 8 und 11 in Richtung senkrecht zur Zeichenebene dagegen ist unschädlich. Bei einer Verlagerung von ca. maximal 50 [micro]m in jeder Richtung ist der hieraus resultierende radiale Unterschied des Abstandes zu der Rotationsachse 14 vernachlässigbar. Es spielt also nur der Versatz der Achsen in der Zeichenebene eine Rolle, da dieser Versatz unmittelbar zu einer Änderung der Abstandes zwischen der Rotationsachse 14 und der betreffenden Rotationsachse 8 oder 11 führt.
[0038] Ein Gestaltsfehler tritt auch auf, wenn die Schleifscheibe 13 nicht exakt zylindrisch abgerichtet ist. Kleine Teile werden mit einer Schleifscheibe bearbeitet, deren Breite der Länge der zu bearbeitenden Fläche an dem Werkstück entspricht. Hiebei bildet sich der Gestaltsfehler der Schleifscheibe unmittelbar auf dem Werkstück ab.
[0039] Diese Zusammenhänge sind dem Fachmann bekannt und brauchen deswegen an dieser Stelle nicht ausführlicher erläutert zu werden.
[0040] Fig. 2 zeigt eine Reitstockeinheit 2, die dazu eingerichtet und geeignet ist, den Versatz der beiden Rotationsachsen 8 und 11 in Richtung parallel zu einer Ebene, die die Zustellachse 12 enthält, zu korrigieren.
[0041] Es ist ein Schnitt durch die Schleifmaschine 1 etwa auf der Höhe des rechten Endes des Werkstückes 7 nach Fig. veranschaulicht, womit Fig. 2 eine Ansicht auf die Reitstockeinheit 2 aus der Sicht des Werkstücks wiedergibt.
[0042] Die Reitstockeinheit 2 weist einen auf einem Maschinenbett 17 angeordneten Sockel 18 auf. Das Maschinenbett 17 verfügt in der üblichen Weise über Führungsflächen 19, 20 und 21, von denen die Flächen 19 und 20 zueinander parallel sind, während die Fläche 21 rechtwinklig zu den Flächen 19 und 20 ausgerichtet ist. Der Sockel 18 trägt dazu komplementäre Anlageflächen 22, 23 und 24, die es ermöglichen, den Sockel in exakter Weise auf dem Maschinenbett 17 zu positionieren.
[0043] In dem Maschinenbett 17 sind Senkbohrungen 25 enthalten, durch die Schrauben 26 hindurchführen, die in Gewindebohrungen des Sockels 18 eingeschraubt sind, um den Sockel 18 gegen die Führungsflächen 19, 20 und 21 des Maschinenbetts 17 anzupressen.
[0044] Der Sockel 18 ist an seinem linken oberen Ende mit einer Ausnehmung versehen, die von zwei zueinander rechtwinkligen Flächen 27 und 28 begrenzt ist. Diese Flächen 27 und 28 laufen durch den Sockel 18 durch und liegen parallel zu der Rotationsachse 11. Innerhalb dieser Ausnehmung 27 befindet sich ein Reitstockgehäuse 29, in dem die Reitstockspindel 9 verschiebbar gelagert ist. Die Spitze des Mitlaufkörners 10 ist bei 31 angedeutet.
[0045] Das Reitstockgehäuse 29 und der Sockel 18 sind über eine Biegefeder 32 miteinander verbunden. Die Biegefeder 32 bildet ein Scharnier oder Gelenk, mit dessen Hilfe das Gehäuse 29 gegenüber dem Sockel 18 bezüglich einer Achse schwenkbar ist, die zu der Achse 11 parallel liegt. Diese Scharnierachse ist bei 33 schematisch angedeutet. Sie befindet sich etwa auf der Mitte der Biegefeder 32 und ungefähr auf der Mitte der Höhe eines Spaltes 34, der das Gehäuse 29 von den beiden Flächen 27 und 28 trennt. Dieser Spalt ist, um eine Verschmutzung zu vermeiden, mit einer dauerelastischen Masse 35 gefüllt. Die Biegefeder 32 ist bandförmig und entspricht in ihrer Länge senkrecht zu der Zeichenebene der Länge des Reitstockgehäuses.
[0046] Die Biegefeder 32 enthält mehrere Stufenbohrungen 36, durch die Kopfschrauben 37 hindurchführen, die in Gewindebohrungen 38 sowohl des Gehäuses 29 als auch des Sockels 18 hineingeschraubt sind, um die Biegefeder 32 mit beiden starr und fest zu verbinden.
[0047] Um die Biegefeder 32 möglichst dicht mit ihrer Scharnierachse 33 an die Achse 31 heranzurücken, sind zur Aufnahme der Biegefeder, wie gezeigt, sowohl in dem Gehäuse 29 als auch in dem Sockel 18 Ausnehmungen 39 und 41 vorhanden.
[0048] Um das Reitstockgehäuse 29 bezüglich der Scharnierachse 33 zu bewegen, ist ein Aktuator 41 vorgesehen. Der Aktuator 41 stützt sich einends an einem Joch 42 ab, das über zwei Schenkel 43 mit dem Sockel 18 verbunden ist. Der Aktuator 41 liegt zwischen diesen beiden Schenkeln 43 und 44. In das rechte hintere Ende des Aktuators 41 ist in einem Fortsatz 45 ein Bolzen 46 eingeschraubt, der mit einem Gewindeschaft 47 durch das Joch 42 hindurchführt und mittels einer gegengeschraubten Mutter 48 starr an dem Joch 42 festgelegt ist. Zwischen zwei Bundflächen 49 und 51, die im Spalt zwischen dem Aktuator 41 und dem Joch 42 liegen, erstreckt sich ein im Durchmesser verjüngter Bereich 52, der als rotationssymmetrische Biegefeder wirkt.
[0049] Das bewegliche Ende des Aktuators 41 ist in einer ähnlichen Weise mit dem Reitstockgehäuse 29 verbunden. Das Reitstockgehäuse 29 verfügt hierzu über einen zylindrischen Fortsatz 53 mit darin befindlichem Gewinde, in den eine Verbindungsschraube 54 eingedreht ist. Die Verbindungsschraube 54 ist ebenfalls mit einem verjüngten Abschnitt 55 versehen, der rotationssymmetrisch ist und ähnlich wie der Abschnitt 52 als Biegefeder wirkt.
[0050] Bei dem Aktuator 41 handelt es sich um einen piezoelektrischen Aktuator mit einem Maximalhub von ca. 120 Mikrometern. Mit dem Aktuator 41 können sowohl Zug- als auch Druckkräfte übertragen werden. Die mit dem Aktuator 41 zu erzeugende Kraft beträgt ca. 120 N.
[0051] Solche Aktuatoren sind handelsüblich und brauchen deswegen an dieser Stelle nicht im Detail erläutert zu werden.
[0052] An dem hinteren Ende des Aktuators 41 befindet sich ein Zuleitungskabel 56, das durch eine Bohrung 57 in dem unteren Schenkel 44 hindurchführt.
[0053] Schliesslich weist die Schleifmaschine 1 noch zwei Durchmesser-Messeinrichtungen auf, um an zwei voneinander getrennt liegenden Stellen den Durchmesser des Werkstücks 7 zu ermitteln. Die Messeinrichtungen, beispielsweise Zangenmesseinrichtungen, sind so angeordnet, dass sie einen Durchmesser messen, der in einer Ebene liegt, die senkrecht auf der Zustellachse 15 ist.
[0054] Von dieser Messeinrichtung sind lediglich zwei Messköpfe 58 und 59 schematisch veranschaulicht. Weitere Messköpfe, die im Abstand hierzu nochmals den Durchmesser an einer anderen Stelle messen, sind aus der Zeichnung auf Rücksicht auf die Übersichtlichkeit weggelassen.
[0055] Die Reitstockanordnung 2 ist mit dem Aktuator 41 derart justiert, dass bei spannungslosem Aktuator das Gehäuse 29 in Richtung auf das Joch 42 verlagert ist, damit die Drehachse 11 [micro]m ca. 20 [micro]m gegenüber der Rotationsachse 8 versetzt ist, und zwar in Richtung von der Schleifeinheit 3 weg. Wenn der Aktuator 21 mit Spannung beaufschlagt wird, kann er sich um bis zu 120 Mikrometer verlängern und um diesen Betrag das Gehäuse 29 aus der Ruhelage von dem Sockel 18 nach links drücken, wobei das Gehäuse 29 eine Schwenkbewegung um die Scharnierachse 33 macht. In der anderen Endlage ist die Rotationsachse 11 gegenüber der Rotationsachse 8 um ca. 60 bis 70 [micro]m verlagert, jetzt jedoch in Richtung auf die Schleifeinheit 3 zu.
[0056] Mit der erläuterten Anordnung für die Reitstockeinrichtung 2 ist es möglich, dynamisch im Betrieb eine Kompensation des Versatzes zwischen den beiden Rotationsachsen 8 und 11 zu erzeugen. Hierzu weist die Schleifmaschine zusätzlich einen Regler auf, dessen Prinzipschaltbild in Fig. 3veranschaulicht ist. Der Regler enthält ein Summierglied 61 mit zwei Eingängen 62 und 63. Dem Eingang 62 wird ein elektrisches Signal zugeführt, das dem Durchmesser D1 des Werkstückes 7, beispielsweise in der Nähe des Werkstückspindelstockes 1, entspricht. Dem Eingang 63 wird mit umgekehrtem Vorzeichen ein Signal zugeführt, das den Durchmesser D2 des Werkstückes 7 an dem anderen Ende, beispielsweise in der Nähe des Reitstockes 2, repräsentiert.
Wenn die beiden Durchmesser exakt gleich sind, liefert das Summierglied 61 an seinem Ausgang 64 ein elektrisches Signal entsprechend einem Nullwert.
[0057] Allgemein ausgedrückt entspricht der Wert an dem Ausgang 64 der Differenz der beiden Durchmesser D1 und D2 unter Berücksichtigung des Vorzeichens.
[0058] Das Ausgangssignal des Summiergliedes 61 wird einem Eingang 65 eines Integrators 66 zugeführt, der an seinem Ausgang 67 das Steuersignal für den Aktuator 41 erzeugt.
[0059] Ein Integrator ist in dem Regler deswegen erforderlich, weil der Aktuator 41 als piezoelektrischer Wandler rein proportional arbeitet. Würde der Regler keine Integrationscharakteristik haben, würde ein Restfehler verbleiben, der der Schleifenverstärkung des Reglers entspricht.
[0060] In Verbindung mit Fig. 2ist ausführlich eine Schleifmaschine beschrieben, die dazu eingerichtet ist, gegebenenfalls automatisch, einen Zylinderfehler zu kompensieren, der durch einen Achsversatz oder eine konische Schleifscheibe 13 hervorgerufen wird. Dazu ist ausführlich dargetan, wie die Reitstockspindel 9 samt dem Gehäuse 29 um eine Achse 32 schwenkbar ist, die parallel zur Rotationsachse des Werkstücks 7 liegt.
[0061] Es ist ohne weiteres einzusehen, dass in ähnlicher Weise auch ein Gehäuse für die Werkstückspindel schwenkbar an dem Maschinenbett befestigt werden kann. Die Figur hierzu sähe spiegelbildlich aus, da die Scharnierachsen sowohl des Gehäuses für den Reitstock als auch des Gehäuses für die Werkstückspindel zueinander koaxial sein müssen und demzufolge auf derselben Seite des Maschinenbetts liegen.
[0062] Der prinzipielle Aufbau ist in Fig. 4in einer Draufsicht gezeigt. Der Werkstückspindelstock 1 und der Reitstock 2 sind jeweils mit einem eigenen piezoelektrischen Aktuator 41a und 41b verbunden. Ausserdem ist die der Werkstückspindel 4 zusätzlich ein Inkrementalgeber 70 versehen, um ein elektrisches Signal zu liefern, dessen Wert dem Azimutwinkel des Werkstücks 7 gegenüber der Schleifscheibe 13 entspricht. Das elektrische Signal wird in eine Steuerung 71 gemäss Fig. 5eingespeist. Diese Steuerung 71 korreliert die gelieferten Winkelwerte mit Werten in einer Tabelle und liefert elektrische Signale an die piezoelektrischen Aktuatoren 41a und 41b des Werkstückspindelstocks 1 und des Reitstocks 2.
Indem beide synchron und um gleiche Beträge phasenrichtig zu der Winkellage des Werkstücks 7 auf die Schleifscheibe 13 zu und von dieser weg bewegt werden, kann ein Werkstück 7 erzeugt werden, das, in Umfangsrichtung gesehen, unterschiedliche Krümmungsradien aufweist. Durch geeignete Steuerung kann beispielsweise ein Werkstück erzeugt werden, das "viereckig" ist. Bei einem solchen Werkstück wären, längs des Umfangs gesehen, in einer exakt zylindrischen Bohrung vier bananenförmige Räume gebildet, um hier beispielsweise Schmiermittel aufzunehmen.
[0063] Falls bei der neuen Schleifmaschine ein Aktuator 41 verwendet wird, der keine lineare Kennlinie hat, in dem Sinne, dass die Bewegung des Reitstockgehäuses 29 proportional der Spannung oder dem Strom ist, der dem Aktuator 41 zugeführt wird, kann es zweckmässig sein, auf dem Schenkel 43 zusätzlich einen Messtaster 70 anzuordnen, der mit einem Anschlag 71 auf dem Reitstockgehäuse 29 zusammenwirkt. Die Regelanordnung aus Fig. 3 wird zur Einschleifung des Signals von dem Messtaster 70 kaskadiert, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Das Signal aus dem Ausgang 67 des Reglers 66 gelangt in einen Regler 72 als Soll-Signal. Als Ist-Signal wird über eine Leitung 73 das Ausgangssignal des Messtasters 70 zugeführt.
Der Regler 72 hat ebenfalls vorzugsweise wieder eine Integralcharakteristik oder wenigstens einen Integralanteil und liefert an seinem Ausgang 74 das Stellsignal für den Aktuator 71.
[0064] Die gezeigte Regelanordnung für die neue Schleifmaschine wird bevorzugt in Verbindung mit einem piezoelektrischen Aktuator verwendet. Es ist jedoch auch ohne weiteres möglich, an Stelle des Piezoaktuators jede andere Form von Aktuator zu verwenden, um in einer Regelschleife gemäss Fig. 3 oder gemäss Fig. 5 den Kegelfehler während des Schleifens zu korrigieren.
[0065] Bei einer Schleifmaschine ist der Reitstock bezüglich einer Achse schwenkbar gelagert, die parallel zur Drehachse des Werkstücks ausgerichtet ist. Mit Hilfe eines piezoelektrischen Aktuators kann der Reitstock um diese Achse geschwenkt werden, um die Drehachse an diesem Ende des Werkstücks mit der Drehachse am anderen Ende fluchtend auszurichten oder gegenüber dieser Achse gezielt zu verstellen.
For example, in the injectors of diesel engines valve spindles are required, which are extremely precise cylindrical. These valve spindles must have virtually no design error in the sense that they taper from one end to the other end. The seat of the valve stem and thus the tightness would otherwise be impaired.
For grinding such valve spindles, it is known to grind them between tips in a grinding machine, wherein the grinding wheel engages tangentially. During the grinding process, the diameter at the two ends of the workpiece is determined in the known grinding machine with pliers-like measuring means. The value is displayed allowing the operator to transversely adjust the tailstock along an adjustment axis until the shape error becomes minimal. To adjust the tailstock a manually operated adjusting device is provided.
Such adjustment is required because set in the course of operation by temperature influence misalignment with respect to the workpiece spindle and the tailstock. If these two axes are adjusted in the plane against each other, a conical workpiece is generated.
Similar errors cause tapered grinding wheels.
In all these errors, the offset of the axis of rotation of the workpiece in the radial direction with respect to the grinding wheel is relevant. A tangential offset does not matter, because the radial change in deviation in the tangential direction is so small that the radial difference caused by the circular shape of the grinding wheel leads to a negligible error.
In the process, therefore, one goes forth and measures the workpieces obtained after grinding in order, for example, to be able to make a trend correction for the workpiece after the second on the grinding machine.
A correction on the workpiece itself during the grinding process has not been made.
Based on this, it is an object of the invention to provide a grinding machine in which the adjustment of the tailstock can be automated.
This object is achieved according to the invention with the grinding machine with the features of claim 1 or 2.
In the new grinding machine sitting on the machine bed, a workpiece headstock, with which the workpiece to be ground is driven with respect to a rotation axis. Further, a hinge assembly is connected to the machine bed, via which the tailstock is attached to the machine bed. The tailstock is movable by means of the hinge device transversely to the axis of rotation of the workpiece.
In addition, in the grinding machine, an actuator is provided which engages the tailstock to move the tailstock along the adjustment axis, which extends transversely to the hinge axis.
Since an actuator is used for adjusting the tailstock, instead of the normal manual arrangement, it is possible to automate the grinding machine in the sense that the cylinder error is compensated automatically when grinding the relevant workpiece.
The movement of the tailstock is advantageous because of its relatively small mass. In principle, it is also conceivable, instead of connecting the tailstock via a joint arrangement with the machine bed, to do this with the workpiece headstock and to adjust this for the purpose of correcting the cone error transversely to the axis of rotation of the workpiece.
The hinge assembly is in the simplest case a hinge with a hinge axis which is parallel to the axis of rotation of the workpiece. However, other joint arrangements are also conceivable, for example, ball guides, in which case the movement axis is aligned transversely to the axis of rotation. Overall, this is any joint arrangement that is sufficiently free of play, not to affect the accuracy of the workpiece to be produced.
The correction of the cylinder error during the operation also allows a faster grinding process. The period of time for the grinding process is essentially determined by the contact force with which the workpiece and grinding wheel are pressed against each other. For the considered operation, the grinding wheel must be assumed to be elastic, wherein the elasticity within the grinding wheel is not homogeneous and conical errors can already thereby occur. Since the cylindricity is measured during the grinding process, the deflection of the grinding wheel can be compensated for at high contact pressures.
Insertion 1
In order to measure the cylinder error during grinding, a measuring device is expediently provided to measure the diameter of the workpiece at least two places. In order to influence the measurement as little as possible by an adjustment of the tailstock, a diameter is measured by means of the measuring device, which lies in a plane on which the adjustment axis of the actuator is perpendicular.
A particularly error-free adjustment because clearance, can be achieved when the hinge assembly with which the tailstock is attached to the machine bed, is formed by a bending hinge, for example in the form of a spiral spring.
The tailstock spindle is mounted in a tailstock housing, which sits on the bending spring and a kind of support on the rail bed.
A particularly fast and highly accurate adjustment is possible when the actuator is a piezoelectric actuator. The achievable with such a piezoelectric actuator Verstellhub total of about 120 microns is usually sufficient. The accuracy is favored by the low hysteresis of the piezoelectric actuator. In this case, the arrangement is designed so that the bending spring is already biased when the actuator is not subjected to an electrical voltage.
The forces to be achieved with such an actuator are about 240 N, which is sufficient for the present application.
In order to prevent that transverse or bending forces are transmitted to the actuator, it is advantageous if the actuator is decoupled via bending springs. These bending springs may be present at one or preferably at both ends. In the simplest case, such bending springs are rotationally symmetrical, so that the actuator is under no circumstances appreciably stressed.
With the new grinding machine, it is also possible to make an adjustment during the machining of the workpiece to virtually correct the cylinder error to zero. For this purpose, the new grinding machine includes a control loop to which the measured values are fed by two diameter measuring devices. From this signal, the control signal for the actuator is generated in the control loop.
In the case of an actuator, which itself has no integral characteristic, it is expedient if the controller is an integral controller or contains an integral component.
With a provided with a control circuit grinding machine, it is also possible to produce targeted non-circular workpieces. Thus, encoder is coupled to the grinding spindle, so that the target value for the actuator is adjusted according to the rotational position of the workpiece. The workpiece headstock is seated on an assembly similar to the described arrangement for the tailstock.
Incidentally, further developments of the invention are the subject of dependent claims.
Incidentally, the reader recognizes when studying the figure description that a number of modifications are possible.
In the drawing, an embodiment of the object of the invention is shown. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> the basic structure of an external cylindrical grinding machine in a plan view illustrating the occurring error,
<Tb> FIG. 2 <sep> the tailstock, the inventive grinding machine in an end view of the top of the tailstock spindle,
<Tb> FIG. 3 <sep> the block diagram for an automatic error correction loop,
<Tb> FIG. 4 <sep> another embodiment of a grinding machine according to the invention in a greatly simplified plan view,
<Tb> FIG. 5 <sep> the block diagram for a control device for producing non-circular workpieces and
<Tb> FIG. 6 shows the block diagram for an automatic error correction loop using a probe for detecting the deflection caused by the actuator.
Fig. 1 shows in a view from above the essential parts for understanding the problem of an external cylindrical grinding machine. To the machine include a workpiece headstock 1, a tailstock headstock 2 and a grinding unit 3, which are arranged on a, not shown, in the drawing plane underlying, grinding machine bed. The workpiece headstock 1 includes a rotatably mounted work tool spindle 4, which is to be offset via a motor unit 5 in rotation. The workpiece spindle 4 carries a center point 6 for insertion into a centering bore of a workpiece 7.
The workpiece spindle 4 defines a first axis of rotation eighth
The tailstock 2 has a tailstock spindle 9, which carries a fixed center point 10 at its free end. With their help, the workpiece 7 is held at a further center hole in the grinding machine 1.
By the tailstock 2, a second axis of rotation 11 is defined for the workpiece 7. This axis of rotation coincides ideally with the first axis of rotation 8.
The grinding unit 3 is composed of a drive 12 and at least one grinding wheel 13 which rotates about an axis 14 which is parallel to the axes of rotation 8 and 11th is aligned.
In order to process the workpiece 7, the grinding unit 3 in the direction parallel to a double arrow 15 on the workpiece 7 deliverable. The double arrow 15 thus represents the feed axis of the grinding unit 3.
In order to process long workpieces over the entire length, the grinding unit 3 is also in the direction parallel to the rotation axis 14 to move according to a double arrow 16. The double arrow 16 thus simultaneously represents the feed axis.
The drives to move the grinding unit 3 along the feed and the feed axes 15, 16 are not shown in the schematic diagram.
When the axis of rotation 8 coincides with the axis of rotation 11, an exactly cylindrical workpiece 7 is generated during the grinding process. In contrast, when the axis of rotation 11 relative to the axis of rotation 8, as indicated in the plane of the drawing, are offset from each other, a workpiece is produced which tapers conically or conically in the direction of the end adjacent to the tailstock 2.
An offset of the two axes of rotation 8 and 11 in the direction perpendicular to the plane, however, is harmless. With a displacement of approximately 50 [micro] m in each direction, the resulting radial difference of the distance to the axis of rotation 14 is negligible. Thus, only the offset of the axes in the plane of the drawing plays a role, since this offset leads directly to a change in the distance between the axis of rotation 14 and the respective axis of rotation 8 or 11.
A shape error also occurs when the grinding wheel 13 is not trained exactly cylindrical. Small parts are machined with a grinding wheel whose width corresponds to the length of the surface to be machined on the workpiece. Hiebei forms the shape error of the grinding wheel directly on the workpiece.
These relationships are known in the art and therefore need not be explained in more detail at this point.
Fig. 2 shows a tailstock unit 2, which is adapted and adapted to correct the offset of the two axes of rotation 8 and 11 in the direction parallel to a plane containing the feed axis 12.
It is a section through the grinding machine 1 illustrated approximately at the height of the right end of the workpiece 7 of FIG., Which is a view of the tailstock unit 2 from the perspective of the workpiece reproduces Fig. 2.
The tailstock unit 2 has a base 18 arranged on a machine bed 17. The machine bed 17 has guide surfaces 19, 20 and 21 in the usual manner, of which the surfaces 19 and 20 are parallel to each other, while the surface 21 is oriented at right angles to the surfaces 19 and 20. The base 18 carries complementary bearing surfaces 22, 23 and 24, which make it possible to position the base in an exact manner on the machine bed 17.
In the machine bed 17 counterbores 25 are included, pass through the screws 26 which are screwed into threaded holes in the base 18 to press the base 18 against the guide surfaces 19, 20 and 21 of the machine bed 17.
The base 18 is provided at its left upper end with a recess which is bounded by two mutually perpendicular surfaces 27 and 28. These surfaces 27 and 28 pass through the base 18 and are parallel to the axis of rotation 11. Within this recess 27 is a tailstock housing 29, in which the tailstock spindle 9 is slidably mounted. The tip of the follower grain 10 is indicated at 31.
The tailstock housing 29 and the base 18 are connected to each other via a bending spring 32. The bending spring 32 forms a hinge or hinge, by means of which the housing 29 is pivotable relative to the base 18 with respect to an axis which is parallel to the axis 11. This hinge axis is indicated schematically at 33. It is located approximately at the center of the spiral spring 32 and approximately at the center of the height of a gap 34, which separates the housing 29 from the two surfaces 27 and 28. This gap is, in order to avoid contamination, filled with a permanently elastic mass 35. The bending spring 32 is band-shaped and corresponds in length perpendicular to the plane of the length of the tailstock housing.
The spiral spring 32 includes a plurality of stepped holes 36, pass through the cap screws 37, which are screwed into threaded holes 38 of both the housing 29 and the base 18 in order to connect the bending spring 32 with both rigid and firm.
To approach the bending spring 32 as close as possible with its hinge axis 33 to the axis 31, 18 and 41 recesses are for receiving the bending spring, as shown, both in the housing 29 and in the base 18 available.
In order to move the tailstock housing 29 with respect to the hinge axis 33, an actuator 41 is provided. The actuator 41 is supported at one end on a yoke 42, which is connected via two legs 43 to the base 18. The actuator 41 is located between these two legs 43 and 44. In the right rear end of the actuator 41, a bolt 46 is screwed in an extension 45 which passes through a threaded shaft 47 through the yoke 42 and rigidly against the yoke by means of a counter-screwed nut 48 42 is set. Between two collar surfaces 49 and 51, which lie in the gap between the actuator 41 and the yoke 42, extends a diameter-tapered portion 52 which acts as a rotationally symmetrical spiral spring.
The movable end of the actuator 41 is connected to the tailstock housing 29 in a similar manner. For this purpose, tailstock housing 29 has a cylindrical extension 53 with threads therein, into which a connecting screw 54 is screwed. The connecting screw 54 is also provided with a tapered portion 55, which is rotationally symmetric and similar to the portion 52 acts as a bending spring.
The actuator 41 is a piezoelectric actuator with a maximum stroke of about 120 microns. With the actuator 41 both tensile and compressive forces can be transmitted. The force to be generated by the actuator 41 is about 120 N.
Such actuators are commercially available and therefore need not be explained in detail at this point.
At the rear end of the actuator 41 is a feed cable 56 which passes through a bore 57 in the lower leg 44.
Finally, the grinding machine 1 has two diameter measuring devices to determine the diameter of the workpiece 7 at two separate locations. The measuring devices, such as forceps measuring devices, are arranged so that they measure a diameter which lies in a plane which is perpendicular to the feed axis 15.
Of this measuring device, only two measuring heads 58 and 59 are illustrated schematically. Other measuring heads, which again measure the diameter at a different location at a distance, have been omitted from the drawing for reasons of clarity.
The tailstock assembly 2 is adjusted to the actuator 41 such that when energized actuator, the housing 29 is displaced in the direction of the yoke 42, so that the rotation axis 11 [micro] m about 20 [micro] m offset from the axis of rotation 8 is, in the direction away from the grinding unit 3. When energized, the actuator 21 may extend up to 120 microns, and by that amount push the housing 29 to the left from the rest position from the socket 18, with the housing 29 pivoting about the hinge axis 33. In the other end position, the axis of rotation 11 is displaced relative to the axis of rotation 8 by approximately 60 to 70 μm, but now in the direction of the grinding unit 3.
With the illustrated arrangement for the tailstock device 2, it is possible to dynamically generate in operation a compensation of the offset between the two axes of rotation 8 and 11. For this purpose, the grinding machine additionally has a regulator, the block diagram of which is illustrated in FIG. 3. The controller includes a summing 61 with two inputs 62 and 63. The input 62 is supplied with an electrical signal corresponding to the diameter D1 of the workpiece 7, for example in the vicinity of the workpiece headstock 1. The input 63 is supplied with a reverse sign, a signal representing the diameter D2 of the workpiece 7 at the other end, for example in the vicinity of the tailstock 2.
If the two diameters are exactly equal, the summer 61 provides at its output 64 an electrical signal corresponding to a zero value.
Generally speaking, the value at the output 64 corresponds to the difference between the two diameters D1 and D2, taking into account the sign.
The output signal of the summing element 61 is fed to an input 65 of an integrator 66, which generates the control signal for the actuator 41 at its output 67.
An integrator is required in the controller because the actuator 41 operates as a purely proportional piezoelectric transducer. If the controller had no integration characteristic, a residual error would remain which corresponds to the loop gain of the controller.
In conjunction with FIG. 2, a grinding machine is described in detail which is adapted, if necessary automatically, to compensate for a cylinder error caused by a misalignment or a conical grinding wheel 13. For this purpose, it is shown in detail how the tailstock spindle 9 together with the housing 29 is pivotable about an axis 32 which is parallel to the axis of rotation of the workpiece 7.
It will readily be appreciated that, similarly, a housing for the workpiece spindle may be pivotally attached to the machine bed. The figure for this would look like a mirror image, since the hinge axes of both the housing for the tailstock and the housing for the workpiece spindle must be coaxial with each other and therefore lie on the same side of the machine bed.
The basic structure is shown in Fig. 4 in a plan view. The workpiece headstock 1 and the tailstock 2 are each connected to a separate piezoelectric actuator 41a and 41b. In addition, the workpiece spindle 4 is additionally provided with an incremental encoder 70 in order to provide an electrical signal whose value corresponds to the azimuth angle of the workpiece 7 relative to the grinding wheel 13. The electrical signal is fed into a controller 71 according to FIG. 5. This controller 71 correlates the supplied angle values with values in a table and supplies electrical signals to the piezoelectric actuators 41a and 41b of the workpiece headstock 1 and the tailstock 2.
By both synchronously and by the same amounts are moved in phase to the angular position of the workpiece 7 on the grinding wheel 13 to and from this, a workpiece 7 can be generated, which, seen in the circumferential direction, has different radii of curvature. By suitable control, for example, a workpiece can be generated that is "square". In such a workpiece, as seen along the circumference, four banana-shaped spaces would be formed in an exactly cylindrical bore in order to receive lubricant, for example.
If an actuator 41 is used in the new grinding machine, which has no linear characteristic, in the sense that the movement of the tailstock housing 29 is proportional to the voltage or the current that is supplied to the actuator 41, it may be appropriate on the leg 43 in addition to arrange a probe 70 which cooperates with a stop 71 on the tailstock housing 29. The control arrangement of FIG. 3 is cascaded to loop the signal from the probe 70, as shown in FIG. The signal from the output 67 of the controller 66 enters a controller 72 as a desired signal. The actual signal is supplied via a line 73, the output of the probe 70.
The controller 72 also preferably again has an integral characteristic or at least one integral component and supplies at its output 74 the actuating signal for the actuator 71.
The illustrated control arrangement for the new grinding machine is preferably used in conjunction with a piezoelectric actuator. However, it is also readily possible to use instead of Piezoaktuators any other form of actuator to correct in a control loop according to FIG. 3 or according to FIG. 5, the conical error during grinding.
In a grinding machine, the tailstock is pivotally supported relative to an axis which is aligned parallel to the axis of rotation of the workpiece. With the aid of a piezoelectric actuator, the tailstock can be pivoted about this axis to align the axis of rotation at this end of the workpiece with the axis of rotation at the other end or to adjust targeted against this axis.