CN102248476A - 测量辅助地精加工工件表面的方法和装置以及测量系统 - Google Patents

Abstract

用于对工件表面进行材料去除地精加工的、尤其用于对工件外曲面基本上旋转对称的工件段进行珩磨或精加工的一种方法，采用至少一个精加工工具加工工件表面，并且利用测量系统对工件表面进行测量。在至少一个测量位置将雷达辐射指向工件表面，然后检测工件表面所反射的雷达辐射，并且对其进行分析，以确定至少一个表面测量值。

Description

测量辅助地精加工工件表面的方法和装置以及测量系统

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述对工件表面进行材料去除地精加工的方法、一种按照权利要求15前序部分所述对工件表面进行材料去除地精加工的装置、以及一种可用于所述方法和装置的测量系统。

首选应用领域是采用内珩磨法对孔进行测量辅助地精加工，或者采用砂带磨削精加工(Bandfinischen)或超精加工法或者外珩磨法对基本上旋转对称的工件外曲面进行测量辅助地精加工；进行精加工时要执行测量，以确定工件表面的宏观形貌和/或表面结构。

背景技术

珩磨是一种利用非定形切削刃的切削方法，多刃珩磨刀具执行由两个分量构成的切削运动，这种运动使得加工后的内表面形成具有交叉加工痕迹的独特表面结构。采用珩磨法可以制成能满足极高尺寸和形状误差要求以及表面结构要求的最终加工表面。据此，例如在制造发动机时可对气缸工作面(发动机缸体中的气缸孔内表面或者待安装于发动机缸体之中的气缸衬套内的气缸孔内表面)以及轴的轴承面进行珩磨加工。气缸工作面的典型加工方式是依次执行多个不同的珩磨操作，例如执行预珩磨，用于产生所需的缸孔宏观形貌，然后执行精珩磨，由此在成品工件上产生所需的表面结构。可以通过测量步骤检查加工结果。

通常使用所谓的超精加工法或者砂带磨削精加工法，利用适当成形的压紧装置将带状的磨削工具压紧在待加工的外轮廓上，对旋转对称的工件外曲面进行精加工。将磨削工具在轴向的短行程往复轴向运动与被加工工件段围绕其轴线的旋转运行相结合，从而产生去除材料所需的加工运动。也可以采用外珩磨法对例如活塞杆或类似工件的外曲面进行加工。通常同样需要采用测量技术来检测工件外曲面的加工结果。

在珩磨时通常要遵守非常严格的宏观形貌以及例如以孔径表示的孔尺寸公差规定，因此要尽可能使用能够在珩磨过程中以及在各个珩磨工序之后测定当前孔径(实际直径)的整合的在线测量系统。然后可以例如在切断控制模式下使用该值来控制珩磨过程。

已知也有珩磨装置配有一种安置于加工工位后面的加工后测量工位。在加工后测量工位中可以检测孔内多个部位的孔径，并且可以将所获得的信息相互关联起来。这样除了直径信息之外，也能获得关于所产生的孔的宏观形貌的信息。加工后测量工位通常主要用于质量控制，也就是用来区别优良品和瑕疵品。也可以将加工后测量工位整合在珩磨设备的控制回路之中，并且将测量结果用来控制前道珩磨工序。DE 38 27 892 C2阐述了一种配有加工后测量工位的珩磨装置，其中采用一种具有较大径向调节行程的珩磨工具，可利用测量结果来控制珩磨油石(Honstein)的径向进给。

目前通常利用按照喷嘴挡板原理工作的气动测量系统来执行所述的测量。这些系统也称作“空气测量系统”，压缩空气从测量喷嘴流向孔壁。如果是在线测量，则将测量喷嘴整合在珩磨工具之中；如果是加工后测量，则可以将其安置在一个特殊的塞规(Messdom)之中。测量喷嘴区域中产生的背压可作为测量喷嘴与孔壁之间距离的衡量尺度。通过压力管路与测量喷嘴相连的测量变送器负责将(气动)压力信号转换成可以继续处理的电压信号。可以利用两个相互对置的测量喷嘴测定孔径。

气动测量装置能够实现与被测对象材料无关的非接触测量，并且可在其测量范围之内实现几微米级别的高测量精度，但是测量范围比较有限。为了能够记录有说服力的测量值，必须将空气测量喷嘴布置在与孔壁相距很近的范围之内(典型距离为几个100μm，例如约200μm)。可用线性测量范围的宽度通常在100μm和200μm之间。若为静态测量(不旋转测量工具)，所记录的测量值的重复精度小于1μm。由于气动测量系统需要一定的时间来调整测量系统中的压力平衡，因此动态测量性能有限，通常每秒钟最多只能检测10～20个测量值。此外在空气测量喷嘴与将压力信号转换成可机器处理的电信号的测量变送器之间还存在一系列不利于测量精度的潜在干扰因素。

P.在“珩磨在线几何测量”专题论文中对珩磨过程中用于在线几何测量的其它非接触式位移测量系统进行了研究，参见：卡尔斯鲁厄大学机床与操作技术研究所(出版人Prof.Dr.Ing.H.Weule)的研究报告第56卷(1994)。为此使用一种涡流测量系统和一种电容式测量系统进行了试验。

在用于加工圆柱形工件外曲面的精加工装置中使用接触式测量系统。DE199 25 077 A1阐述了一种对工件外曲面进行砂带磨削精加工的装置，利用两个加工压板将砂带压紧在工件表面上。同时利用一个在线测量装置对待加工表面进行测量。在相对而置的部位将所述在线测量装置的两个接触式测量针紧贴在工件表面上，即可测量工件的直径。此外尽管也提及了光学、气动或液压测量装置，但是并未详细描述。

发明内容

本发明的任务在于，提供对工件表面进行测量辅助精加工的一种方法和一种装置，以及一种可用于所述方法和装置的测量系统，其特点是具有很高的测量动态性能以及很高的测量精度。如有需要，还能够以很少的结构性花费将测量系统整合在精密加工工具之中进行在线测量。

采用具有本发明权利要求1所述特征的一种方法、具有权利要求11所述特征的一种测量系统以及具有权利要求15所述特征的一种装置，即可解决这一任务。从属权利要求所述均为有益的改进实施方式。以援引方式将所有权利要求的文字作为本说明部分的内容。

对工件表面的测量与工件表面的精加工有关，其中例如以切削方式去除工件的材料。可以在精加工之前、精加工过程中和/或精加工之后进行测量。测量时，在至少一个测量点将雷达辐射指向工件表面，然后检测工件表面所反射的雷达辐射，并且对其进行分析，以确定至少一个表面测量值。使用至少一个具有至少一个雷达传感器的雷达传感器阵列来测量工件表面。

本申请书所述的“雷达辐射”指的是其可用于雷达技术的频率范围约在30MHz～300GHz之间、波长范围通常约在1mm～10m之间的在技术上产生的电磁波。在该频率范围内，典型的微波波长在1mm～1m之间，这相当于大约300MHz～300GHz之间的频率范围。

按照首选实施方式，雷达辐射频率在20GHz～100GHz范围内，这相当于大约在3mm～15mm之间的典型波长。几毫米范围内的波长处在完成测量任务所需的典型测量范围数量级之内或者略高。这样就特别是能以分析相位差的方式进行距离测量，精度很高，同时所需的分析成本比较少。

已发现十分适宜利用通常主要用来测量较大距离以及在某一个发射器和远距离目标之间测量角度或方向的雷达辐射，在材料去除法精加工区域进行现场测量。就此而言，所述“雷达传感器”指的是一种靠电工作的技术装置，它可利用发射单元将雷达辐射集束成为一次信号发射出去，并且可利用接收单元接收工件表面反射的回波作为二次信号，然后对其进行处理分析。视一次雷达设备而定，仅仅分析被工件表面被动反射的信号。在雷达传感器中可以利用相同的装置(例如发射/接收天线)，将电输出信号转变成一次信号的电磁波，以及将二次信号的电磁波转变成可以分析的电信号。

在测量过程中对于构成工件表面的工件的特性没有特殊要求。工件表面的材料可以导电或不导电，因此特别是可以测量所有金属和陶瓷材料，但也可以测量塑料。该技术采用非接触方式工作，因此不会因为测量而损害加工后的工件表面，例如不会划伤或者沾污工件表面。使用雷达辐射可以在若干分之一微米范围内实现很高的绝对测量精度，同时相比之下，可以利用的测量范围很大，例如可以在一毫米或几毫米范围内。此外雷达传感器的尺寸还可以比较小，从而能够以合理的结构性费用将必要时用于在线测量的雷达传感器整合在精加工工具之中，并且能完全保留精加工工具的性能。此外与空气测量法相比，动态测量性能明显比较高(单位时间的测量次数高)，因此允许采用非常有利于精加工的新测量方法。

由于大多数材料去除法精加工工艺要使用诸如珩磨油之类的液态加工助剂或者其它冷却润滑剂，因此另一个主要好处在于，原则上也可以在有冷却润滑剂存在的情况下利用雷达辐射进行测量。如果波传播发生在一种液体之中，那么在分析和必要时选择所用波长时就要考虑液体的对于波传播重要的特性，例如磁导率。在加工过程中持续清除加工助剂，就能有利于保证波传播所需的特定条件。

对工件表面反射的雷达辐射(二次信号)的信息内容进行分析，即可确定一个或多个表面测量值。表面测量值可以反映例如关于宏观尺寸和/或工具表面宏观形貌的情况。若为基本上旋转对称曲面形状的工件表面(例如圆柱形孔的内表面，或者圆柱形工件段在轴上的外表面)，则表面测量值可以包含关于直径和/或表面宏观形态的信息，以便例如据此确定关于尺寸精度、圆度、圆柱度和/或轴向外形(锥度、桶形、鼓度、斜棱等等)的信息。必要时也可得出关于某一个圆柱曲面工件段或者某一个孔的对称轴线与某一给定位置之间的相对位置的信息。表面测量值也可以反映关于工件表面宏观表面特性的信息，以便确定例如关于表面粗糙度、精加工过程的加工痕迹的分布和/或方向的数据。

可以用不同的方式检测、分析工件表面反射的雷达辐射。按照一些实施方式所述，可以确定所发射的一次辐射与工件表面反射的二次辐射之间的相位差，然后对其进行分析，从而确定至少一个表面测量值(测定相位)。如果针对某一典型测量距离的数量级适当调整有效波长，使得相位差小于波长，则特别有益。然后无需花费很多附加成本，就能明确判读相位测量结果。如果典型测量距离处于1mm的数量级，则空气中的波长可以在例如3mm～15mm之间。也可以确定某一个发射时刻与某一个接收时刻之间的雷达辐射传播时间，然后对其进行分析，从而确定至少一个表面测量值(测定传播时间)。

不仅可以利用相位测定法、而且也可以利用传播时间测定法来精确测定例如雷达传感器与工件表面之间的几何距离，以便可得出例如关于工件表面所限定的孔径和/或关于工件表面宏观形态的信息。在对基本上呈圆柱形的工件曲面(例如孔内表面或者某一个轴的圆柱形工件段的外表面等等)进行测量时，可以在例如至少一对相对而置的测量点检测所反射的雷达辐射，然后对其进行分析，从而确定工件表面所限定的孔径值。

也可以采集工件表面上多个测量点的测量值，然后根据这些测量值确定至少一个可以反映工件表面宏观形貌的形状测量值。为此可以分析例如至少10个或至少100个或至少1000个测量点或者更多测量点的测量值。为了能够利用很少数量的雷达传感器(例如一个或两个雷达传感器)做到这一点，按照一种实施方式所述，可使得工件和雷达传感器阵列相互运动进行测量，并且按照时间顺序依次采集多个测量点的测量值。例如可以在基本上呈圆柱形弯曲的工件段的圆周方向上记录至少50个或至少100个或至少200个或至少1000个测量值，以便确定关于圆度的或者圆度偏差的准确信息。如果在多个轴向相隔一定距离的位置采集这些周向信息，就能确定关于孔内表面或者工件外表面的圆度、鼓度、桶形、锥度等等的数据。

利用雷达波束能够在比较短的时间内以很高的精度进行复杂的形状测量。为此可按照一些实施方式所述，以至少0.1kHz的采样频率将脉冲雷达辐射射向工件表面，所述采样频率适宜至少为1kHz。这样每秒钟就能测量至少100个或者至少1000个测量点，从而可以在极短时间内以很高的空间分辨率进行总体测量。

可实现的较高的采样频率还能进一步优化测量过程，例如可以采用误差计算和误差修正的统计方法。按照一些实施方法所述，为此可在测量时多次检测多个测量点，然后根据某一个测量点的多个测量值算出该测量点的统计加权测量值。当多次经过测量点时，就能确定每一段工件表面的多个测量值。可以用计算方式检查可信度，尽可能剔除测量误差，从而提高测量结果的质量及其可靠性。此外根据若干测量值计算平均值还可以提供比少量测量值更为可靠的结果，使得置信区间比较小，这又能改善测量结果的质量。比较可靠的测量值只需要很少的交互检查，与常规测量系统相比，可以减小测量费用，并且可减少精加工设备用户的测量人员和测量设备维持量。因此可以实现更好的测量结果，有时还会减少成本。

按照一些实施方式所述，根据工件表面反射的雷达辐射确定至少一个能反映工件表面结构的表面结构测量值。这可以是例如工件表面的粗糙度和/或加工痕迹的方向等等。

尤其适合确定表面结构测量值和/或表面形貌信息的实施方式为：确定工件表面所反射的雷达辐射强度，然后对其进行分析，从而确定至少一个表面测量值。例如可以按照以下方式对此作定性理解。如果将一次信号基本上垂直地射向平滑的工件表面，就会基本上直接朝向雷达传感器将雷达辐射反射回来，使得接收信号的强度比较高。而如果所测量的工件表面有很强的纹理结构(例如很粗糙)，就会在比较大的立体角范围内将雷达辐射反射回来，因此与平滑的工件表面相比，只有很少一部分辐射强度回到雷达传感器的发射点。因此可以适当进行校准，根据被反射的雷达辐射的强度推断出表面的宏观结构。

如果以空间分辨方式在某一个延展的检测区域之内在多个位置检测工件表面所反射的径向辐射的强度，那么也能确定关于被反射的雷达辐射的二维(在某一平面内)或者三维(在空间中)角度分布信息。例如这样就能确定反向散射角的堆积青况，据此例如可以推测工件表面上的加工痕迹的方向，并且/或者推测表面相对于入射雷达波束的方向。

通常在珩磨时使用一种冷却润滑剂(珩磨油或者珩磨乳化液)来辅助排屑和冷却加工区域。对外表面进行精加工时也可使用冷却润滑剂。与气体中的波传播相比，这些情况下对雷达测量结果的分析通常比较麻烦。为了避免此类问题，按照一些实施方式所述，利用空气或者另一种适当的净化气体吹扫测量区域，将测量区域清理干净。例如这样就能至少适当清除待测量的区域的珩磨屑与残留珩磨油，使得测量不会受这类残留物影响。为此可以在雷达传感器区域内安置一个或多个与可供应以压缩空气的流体管道系统相连的吹扫喷嘴，吹扫喷嘴利用压缩空气将传感器和工件表面之间的空间吹扫干净。必要时可以通过常规空气测量系统中所用的管道供应压缩空气。

最好以在线测量方式进行测量。这尤其意味着立即在前一道精加工步骤之后和/或立即在下一道精加工步骤之前和/或在对夹紧在加工夹具中的工件的表面进行精加工期间测量工件表面。这样就不必输送到独立的测量工位。

比较典型的方式是利用至少一个安置于精加工工具上的雷达传感器来测量工具表面。精加工工具由此用作为雷达传感器的支架，从而可以利用精加工工具的相关操作装置(例如用来支撑珩磨工具的珩磨主轴，或者精加工机床的加工臂)及其控制系统将雷达传感器置于靠近工具表面的测量位置，必要时还可相对于工件表面移动雷达传感器，并且在结束测量之后使得雷达传感器重新离开测量位置。这样就能大大节省单独配置一个测量工位的结构性费用。

最好直接利用测量结果，通过精加工设备的机床控制系统进行过程控制。为此可按照一种实施方式所述，在某一个精加工步骤期间和/或之后进行测量，确定反映工件表面当前特性(尤其是宏观形貌、直径和/或表面特性)的表面实际值，然后对表面实际值与对应的表面给定值之差进行处理，将处理结果用来控制精加工工具。可以通过这种控制回路改善精加工过程的精度，并且可明显提高优良品率。

本发明也涉及一种适合用来执行本申请书所述方法的、用于对精加工后的工件表面进行测量的测量系统。所述测量系统具有至少一个包括至少一个雷达传感器的雷达传感器阵列。

本发明也涉及一种与至少一个本发明所述测量系统对应的精加工装置。例如可以将所述测量系统整合在珩磨机床或者一种精加工机床之中。也可以将测量系统设计成独立于加工机床的测量工位。

最好将所述测量系统设计成在线测量系统。为此可按照首选实施方式所述，将雷达传感器安置在装置的精加工工具上，使得精加工工具可作为雷达传感器的支架。如果是珩磨装置，可以将至少一个雷达传感器安置在珩磨工具上。如果是精加工装置，则可以将一个雷达传感器安置在一个精加工臂上，所述精加工臂可利用压紧装置将磨削工具(例如砂带或者珩磨油石)压紧在待加工的工件段外表面上。

例如可以将测量系统配置成为直径测量系统、形状测量系统和/或粗糙度测量系统。视测量任务而定，雷达传感器阵列可以包括一个或者多个雷达传感器。其空间布置以及对工件表面反射的雷达辐射进行分析的方式将决定采集哪些表面测量值并据此得出哪些关于被测工件表面的信息。

测量系统的分析装置可以通过信号传输方式与精加工机床的控制装置或者该控制装置的一部分相连，并且与其共同构成一个调节装置，该调节装置可根据利用测量系统获得的测量数据(表面测量值)对加工进行控制。例如可以根据测量系统的表面测量值控制加工时间和/或切削材料(例如珩磨油石或者砂带)的压紧力，以便即使在大批量加工工件时也能遵守严格的加工公差。

上述以及其它特征还可由权利要求书以及说明书和附图得到。各项特征均可单独实现，或者以本发明某一实施方式的组合形式并且在其它领域同时实现多项特征，且各项特征均表示有益的实施方式。以下将根据附图，对首选实施方式进行解释。

附图说明

附图1为一种珩磨机床实施方式的示意视图，其用于对工件中的孔的圆柱形内表面进行珩磨加工，包括一个整合的具有多个整合在珩磨工具之中的雷达传感器的测量系统；

附图2为将雷达传感器安置在内珩磨工具上的不同方法的示意图；

附图3～5为不同测量情况的示意图，用于解释在使用雷达传感器时的几种基本原理；

附图6为一种砂带磨屑精加工机床实施方式的示意视图，用于利用内置的雷达测量系统对圆柱形工件外表面进行精加工。

具体实施方式

首先以“珩磨”精加工方法为例，解释本发明的实施例。

附图1所示为设计成立式珩磨机床的珩磨机床100的一个实施方式的示意图，例如可将其用于对在用来制造发动机的工件中的基本上呈圆柱形的孔的内表面进行珩磨加工。多轴珩磨机床100具有多个珩磨单元，附图1中仅绘出了其中的一个珩磨单元110。珩磨单元110包括一个固定构件和一个可以相对于固定构件活动的构件。活动构件包括一个利用竖直伸展的主轴轴线133安装的珩磨主轴132以及一个利用主轴侧的铰节136连接在珩磨主轴132的自由下端上的传动杆135。利用一个多轴线的铰节137将珩磨工具140连接在传动杆的自由下端上，使其可以有限运动。可以利用主轴驱动装置122使得珩磨主轴围绕其主轴轴线133转动，还可以使其在轴向往复运动，以便通常将旋转运动与轴向往复运动叠加在一起进行珩磨。可以利用图中没有绘出的机电式和/或液压式进给系统(参考附图2)，使得安置于珩磨工具140上的珩磨条(Honleiste)142沿径向进给或者后退，以便调整加工所需的珩磨工具的有效直径。利用珩磨机床的控制单元125控制主轴驱动装置122和进给系统。

附图1所示为加工工件160的珩磨机床，所述工件可以是例如内燃机的发动机缸体，或者是安装于发动机缸体之中的气缸衬套。工件被夹紧在珩磨机床的夹具126之中，并且处在加工位置。珩磨工具已经伸入到基本上呈圆柱形的工件的孔161之中，以便利用适当的珩磨工艺实现具有规定直径的孔的宏观形态，以及使得基本上呈圆柱形的凹入弯曲的孔内表面165具有所需的表面结构。这在本示例中就是利用内珩磨精加工工艺进行加工的工件表面。

珩磨机床的每一个珩磨单元均具有一个测量系统150，所述测量系统可在珩磨加工期间以“在线测量”方式确定当前孔径以及确定描述所加工的孔和孔内表面的当前状态的其它表面测量值，将相应的信号传输给珩磨设备的控制系统125，并且以这种方式控制珩磨工艺。例如可以利用在线测量，在珩磨过程中连续监控当前孔径尺寸。如果达到了所需的给定尺寸，就可以通过珩磨机床的控制单元125结束加工。

以下也称作“雷达测量系统”的测量系统150包括一对电控雷达传感器152、153，在珩磨条的轴向工作范围内将这些传感器相对而置地在沿圆周方向相隔一定距离的珩磨条142之间布置在珩磨工具140上。

电的测量导线从每一个雷达传感器经由珩磨工具和传动杆135之间的第一接口156以及珩磨主轴132和珩磨机床固定部分之间的第二接口157伸展到珩磨机床的控制单元125。控制单元125包括一个测量信号分析装置，从而可以对雷达传感器提供的测量信号进行处理，用于控制珩磨过程。

第一接口156例如可以具有不仅能给雷达传感器供电、而且能传输测量信号的插塞连接机构。第二接口具有一个感应式变送器157，该变送器具有一个连接到控制单元125上的固定的线圈装置，并且具有一个与该固定的线圈装置相隔很小距离的围绕珩磨主轴132缠绕的线圈装置。这些线圈装置一方面用来以非接触方式在雷达传感器152、153和控制单元125之间传输模拟或数字形式的测量信号，另一方面用来给雷达传感器供电。

珩磨机床具有一个内置的气动清洁装置170，用于利用压缩空气以吹扫测量区域的方式清理雷达传感器所使用的测量区域。为此在珩磨机床的固定的构件之中或者之外安置一个配备有压缩机的压缩空气产生器171，通过压力管路172将压缩空气从该压缩空气产生器引导至在珩磨工具中靠近雷达传感器附近安置的多个吹扫喷嘴173。压力管路包括一个例如由柔性软管构成的固定的压力管路段174、一个布置在固定构件与活动构件之间的气动的旋转传输器175(通常也称作空气分配器)、以及在附图1中仅示意性地示出的多个从空气分配器通向吹扫喷嘴的压缩空气流道。可以将传统珩磨机床中用于气动测量系统的装置用于气动清洁装置，因此这里不对此予以详述。

按照附图1所示的实施方式，将两个雷达传感器152、153安置于珩磨工具140的工具体之中相对而置的部位上。附图2示意性地示出将雷达传感器安置于珩磨工具240上的不同方法。固定地或者铰接地安置于传动杆235的下端的珩磨工具具有一个基本上呈圆柱形的工具体241，在该工具体的圆周上布置有四个在周向上各自错开90°且可径向进给的珩磨条242。设有研磨性切削层的珩磨条位于可以在工具体241的相应挖空部分中径向运动的金属珩磨条支架上。指向内侧的珩磨条支架背面呈斜坡状，并且按照楔传动方式与进给椎体244的锥形外表面共同作用，所述进给椎体固定在可以在传动杆中轴向运动的进给杆245的下端上。分别在两个沿圆周方向相邻的珩磨条之间的正中央将轴向延伸的导向板247固定在工具体的外圆周上，所述导向板的面向工件的外表面并未设置切削层，而是比较平滑，因此没有切削作用。具有这种基本结构的珩磨工具早已为人所知，因此不予以详述。

这种珩磨工具的特点在于，可将其用作为雷达测量系统的雷达传感器支架。为此在工具体241外侧的一个自由角段中设有一个可将雷达传感器252装入其中的矩形挖空部分。在本示例中使用尺寸约为5、12、30mm的比较小的雷达传感器。作为将雷达传感器布置在某一个自由的工具段上的替代方案，或者作为补充方案，也可以将雷达传感器整合在导向板之中，如图中所示的雷达传感器253。为此导向板具有一个相应的挖空部分。相对而置的位置同样可以有一个雷达传感器。沿着工具的圆周和/或长度可以均匀地或者不均匀地分布两个或更多雷达传感器。

从轴向来看，本示例的雷达传感器均大致布置在导向板或珩磨条的一半高度上。沿圆周方向在雷达传感器旁边，在工具体上设有两个上下叠置的吹扫喷嘴273，这些吹扫喷嘴是气动清洁装置的一部分，当珩磨工具转动时，可利用该清洁装置将雷达传感器所检测的测量区域吹扫干净，以使得测量尽可能不受珩磨油或冷却润滑剂、磨屑等等的影响。也可以将一个或多个吹扫喷嘴例如吹扫喷嘴273′沿轴向布置在雷达传感器上方和/或下方。

在精加工过程中使用雷达传感器测量工件表面的一大好处在于：与传统方法(例如空气测量)相比，利用雷达技术能以与有待测量的表面相隔比较大的测量距离来布置雷达传感器，并且可以从比较大的测量范围采集准确的测量值。在附图1的节点详图中，雷达传感器152与孔壁(孔内表面165)之间的测量距离A可达10mm。其测量值精度可以达到1μm以下的测量范围的宽度B在本示例中最大为2mm，这明显大于现有技术。较大的测量距离和较大的测量范围允许实现工具设计标准化，例如可以将相同的工具基体用于比之前更大的直径范围，这样就能节约成本。此外也可以将这种测量系统用于去除很多材料的珩磨工序，在这些珩磨工序中，如若使用常规测量系统，则会超过目前可能的测量范围。例如这里可以提及的是某些预珩磨操作或所谓的其切削性能可以与传统精密镗孔方法的切削性能相媲美的粗珩磨操作，但是由于切削体会连续地自行磨锐，因此可以实现较高的使用次数寿命(例如可参见J.Schmid的专业文章“蠕墨铸铁的切削加工”，发表于：设计+铸造22(1997)第4期，第22～38页)。相对于孔径的典型粗珩磨切削量可以在例如0.3～0.5mm之间的范围内。即使在本申请人的欧洲专利申请书EP 1 932 620 A1中所述的所谓的高性能珩磨加工，也可以使用具有特殊优点的雷达测量系统。

所记录的测量值的重复精度小于0.5μm(取决于表面精度和静态测量方法，也就是工具不旋转)。若为动态测量，也就是工具旋转，则所记录的测量值就是雷达传感器与扫描区域之间的距离平均值。

与空气测量法相比，采样频率明显较高，例如每秒钟可进行100多次或1000多次测量，这可以为测量辅助的精加工开拓多种新的应用方法。现以珩磨领域的一则示例对此进行解释。珩磨主轴的典型主轴转速范围目前大致为30～300转/分钟，可以向上扩大上限。若采样频率为1kHz，则主轴转动一圈就能在孔的圆周中记录200～2000个测量值。即使转速比较高，例如1000转/分钟，每转一圈始终能够记录60个测量值，因此测量值在圆周方向仅仅相隔6°。如此高的角度分辨率不仅足以确定孔径，而且也足以在所测定的不同直径范围内确定孔的圆度。

除了旋转运动之外，珩磨工具也可执行附加的轴向往复运动。在计算出相应的轴向工具位置以及利用所检测的直径测量值计算出旋转角度的情况下，还可以勾画出孔的宏观形貌。在一道珩磨工序的典型珩磨时间之内，例如20秒钟，若采样频率为1kHz，则可生成大约20000个测量值。这样就能在珩磨过程中以很高的精度确定珩磨孔的形貌，从而也能够检测所加工的孔随时间变化的形貌。

该精度大大高于现今整合在珩磨线中的加工后测量工位的精度。因此这类实施方式可以替代加工后测量，从而大大节约成本。按照一种首选实施方式所述，据此仅仅进行一次在线测量，而不是在结束精加工之后进行加工后测量。即使总是要在测量某一个孔之前校准测量系统，由于测量系统的速度很快，因此总处理时间不会升高到不可接受的程度。

采样雷达技术可以根据被工件表面反射的二次信号，来确定关于工件表面位置和方向的大量信息，必要时也可确定关于其表面结构的信息。附图3～5所示为用来解释一些基本原理的不同测量情况的示意图。在这些附图中，左侧是一个雷达传感器，右侧是一个工件的局部，工件表面面向雷达传感器。以波浪线和传播方向箭头来表示在雷达传感器和工件表面之间传播的一次和二次雷达信号。

附图3所示的雷达传感器352产生一次雷达波束，该雷达波束基本上垂直地射向工件360的比较平滑的工件表面365，并且从工件表面将雷达波束或多或少地平行于入射方向反射回到雷达传感器。利用分析装置检测、分析从雷达传感器传播到工件表面的一次波与从工件表面反射回到雷达传感器的二次波之间的相位差，即可测定距离，也就是测定雷达传感器与工件表面之间的自由距离。附图1所示的配置具有两个相对而置并且同时工作的雷达传感器152、153，如果已知珩磨工具之内的雷达传感器的相对距离，并且在相对的部位测量距离，就能在孔的相应轴向位置上测定相应方向(平行于雷达传感器之间的连线)上的孔径。

在附图3所示的示例中，比较平滑的孔壁将雷达辐射基本上反向平行于入射雷达波束朝向雷达传感器方向反射回来，因此只有比较少的散射损失，到达雷达传感器的二次信号比较强。比较附图3和4中的情况可以看出，也可以根据雷达传感器所接收的被反射的二次信号的相对强度判断工件表面的表面粗糙度。在附图4所示的示例中，雷达传感器452对面是工件460的比较粗糙的工件表面465。雷达传感器452与附图3所示的雷达传感器352结构相同。雷达传感器452也发射基本上垂直于工件表面、也就是基本上平行于宏观观察的工件表面法线的一次雷达辐射。然而，与附图3相比，由于表面粗糙度比较大，因此大部分入射的一次辐射并未反射回到雷达传感器，而是被反射到雷达传感器检测范围之外的立体角范围之中。因此(如果指向工件表面的一次信号强度相同)反射的二次信号的强度与附图3相比明显弱于附图3中比较平滑的工件壁面。如果已适当校准测量传感器，这样就能根据二次信号的强度推测工件表面的粗糙度。

如附图3和4所示，雷达传感器完整检测工件所反射的雷达辐射，并不区别位置或者角范围。与此不同的是，附图5所示的雷达传感器552则以空间分辨方式检测工件表面反射的雷达辐射的强度和/或传播时间。雷达传感器552具有一个发射单元和多个相隔一定距离相邻布置的接收单元552A、552B和552C。工件560具有一个应对其孔内表面565进行测量的名义上为圆柱形的孔。雷达传感器发射的一次信号相对于宏观孔轴线沿径向传播到工件表面，然后工件表面将按照其表面粗糙度及其普遍方向将信号反射回来。然而在附图所示的轴向段中，孔壁段并非垂直于径向方向，而是与其斜交，使得孔形至少在附图所示的孔段中并非呈圆柱形，而是例如呈锥形。这在所反射的雷达信号中就能看出，基本上并非全部强度的入射的雷达辐射均在径向上返回到传感器552A，而是大部分倾斜地朝向雷达传感器的另一外侧部分552C反射回来。以空间分辨方式检测传感器阵列上的雷达辐射强度，就能确定特别多的辐射被反射回到哪些立体角范围之中。例如可以根据该信息推测孔壁的所示倾斜位置，进而推测关于孔的宏观形貌的有价值的形貌信息。

附图1和2所示的实施例主要基于内珩磨法。原则上也可以将所述的技术应用于其它精加工方法，尤其可用于砂带磨削精加工或者对工件外表面进行外珩磨。由于精加工或外珩磨的切削量通常小于内珩磨，因此可以减小以上例如针对内珩磨所述的测量范围，从而例如可以改善测量的重复精度，使其达到0.2μm或者更少的范围。通常无需对工具进行多大改动，就能将所述的雷达技术整合在现有机床设计方案之中，因为必要时可以制造外径尺寸很小的雷达传感器。

附图6所示为设计成砂带磨削精加工机床形式的、用于对工件(如曲轴或者凸轮轴)上的基本上呈圆柱形的工件段的圆周面进行精加工的装置的局部示意图。图中没有绘出的旋转装置使得工件660(例如曲轴)围绕其主轴线667(工件轴线)旋转，同时通过一个摆动装置使其以几毫米的幅度在轴向执行短行程的往复运动。砂带磨削精加工装置具有多个安置于同一个床身上的相邻精加工单元。这些单元均非常窄，以便可以同时加工相邻的工件段。图中所示的装置具有多个用来加工主轴承661(如图所示)的精加工单元，并且在这些精加工单元之间具有用来对围绕主轴线667在轨道上运动的连杆轴承进行加工的精加工单元，连杆在发动机运转过程中作用于连杆轴承上。

局部示出的双臂加工钳形式的精加工单元610可用来加工基本上呈圆柱形的主轴承圆周面665。精加工单元610具有两个可以围绕平行的摆动轴承适当摆动的加工臂(精加工臂，压紧臂)615A、615B，加工臂的自由端可以向内朝向待加工的工件摆动，或者向外摆动离开工件。本示例中的加工臂通过一个液压和气动的力发生装置616相互连接，所述力发生装置能够将具有预定作用力F(箭头)的加工力向内作用于工件。

图中没有详细绘出的精加工砂带传送装置提供精加工砂带620，由图中没有绘出的供料辊朝向精加工单元的入口侧抽出精加工砂带，然后从精加工单元的出口侧将用过的精加工砂带沿着出口方向送向收卷辊。精加工砂带可以具有任何已知的结构型式，例如可以具有一层在很大程度上不可压缩、延展性很小的聚酯膜，聚酯膜的正面621镶有颗粒状切削材料。

在每一个加工臂615A、615B的面向工件一侧的自由端区域内固定一个可以更换的压紧装置650A、650B，该压紧装置总是可将镶有切削材料的精加工砂带适当压紧在工件表面上，从而以被规定用于加工过程的压紧力使得精加工砂带在包角W范围内压紧在工件外表面上。附图6所示的两个压紧装置基本上构造相同，而且相互镜像对称排列，以便对旋转工件的相对而置的区域进行加工。精加工砂带在加工过程中相对于压紧装置静止，从而仅仅通过工件的旋转运动结合叠加的轴向往复运动产生去除材料所需的切削速度，以便在工件外表面665上产生适合作为滑动轴承面的交叉磨屑花纹。

本示例中的压紧装置各自具有一个有限柔性的、绷紧在均为U形的支架的侧边之间的金属压紧带670A或670B，从而可以在一定的极限范围内将压紧板(Andrückschuh)用于不同直径的工件。同样也可以采用例如WO 2009/049868A1所述的其它结构型式。

砂带精加工装置配有一个雷达测量系统，该测量系统具有一个雷达传感器652，利用一个具有精加工砂带通过口的支撑元件将雷达传感器固定在压紧装置650B上，使该雷达传感器与工件表面之间有规定的径向距离。将另一个相对而置的雷达传感器653以适当方式固定在压紧元件650B上。利用雷达测量系统在精加工过程中不仅可采集关于加工后的工件段的当前直径的信息，而且也可采集关于可能的形状偏差、表面粗糙度和表面结构的信息，并且可将这些信息反馈给机床控制系统来控制加工过程。

也可以将具有一个或多个雷达传感器的雷达测量系统整合在其它对工件表面进行精加工的装置之中，例如整合在以无心连续磨削法进行短行程珩磨的装置之中，例如可将无心连续磨削法用来加工滚动体、活塞、喷油器针阀和类似工件。即使在加工球体时，例如在对髋关节假体上的球形工件段或者其它类似工件进行精加工时，也可以利用雷达测量法来测量直径和/或表面宏观形貌和/或表面特性，同样也可以测量齿轮。尤其可在加工行星齿轮时快速、精确地测量长度。

这些详细描述的示例所介绍的均为将雷达传感器整合在精加工工具之中的雷达测量系统，因此可以进行在线测量。也可以将测量系统设计成独立于加工机床的测量工位。在这种情况下，测头的构造可以类似于附图2所示的珩磨工具，但是没有用来去除材料的珩磨条。

Claims (16)

1.一种用于对工件表面进行材料去除地精加工的、尤其用于对工件外曲面基本上旋转对称的工件段进行珩磨或精加工的方法，其中采用至少一个精加工工具加工工件表面，并且利用测量系统对工件表面进行测量，其特征在于，在至少个测量位置使得雷达辐射指向工件表面，并且检测工件表面所反射的雷达辐射，然后进行分析，从而确定至少一个表面测量值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中使用频率范围在20GHz～100GHz之间的雷达辐射。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中确定指向工件表面的一次辐射与工件表面所反射的二次辐射之间的相位差，然后进行分析，从而确定至少一个表面测量值，其中适宜针对典型测量距离的数量级适当调整有效波长，使得相位差小于波长。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中采集工件表面上多个测量点的测量值，然后根据这些测量值确定至少一个反映工件表面宏观形貌的形状测量值，其中适宜同时分析至少10个、尤其是至少100个测量点的测量值。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中进行测量时使得工件和雷达传感器阵列相互运动，按照时间顺序依次采集工件表面上多个测量点的测量值，然后根据这些测量值确定至少一个反映工件表面宏观形貌的形状测量值，其中适宜以至少0.1kHz的采样频率将脉冲雷达辐射射向工件表面，其中所述采样频率适宜至少为1kHz。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中在测量时多次检测测量点，然后根据测量点的多个测量值算出该测量点的统计加权测量值。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中确定工件表面所反射的雷达辐射的强度，然后进行分析，从而确定至少一个表面测量值，其中适宜以空间分辨方式在延展的检测区域之内在多个位置检测工件表面所反射的雷达辐射的强度。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中根据所反射的测量辐射确定至少一个反映工件表面结构的表面结构测量值，其中所述表面结构测量值适官反映表面粗糙度和/或加工痕迹的方向。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中对夹紧在加工夹具之中的工件上的工件表面进行测量，其中适宜在精加工步骤期间和/或精加工步骤之后进行测量，确定反映工件表面当前特性的表面实际值，然后对表面实际值与对应的表面给定值之差进行处理，以便控制精加工工具。

10.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中利用空气或者利用另一种清洁气体吹扫测量区域，由此来清洁测量区域。

11.一种用于对经过精加工的工件(160，360，460，560，660)的工件表面进行测量的、尤其是用于对利用珩磨或精加工方法加工后的工件段上的基本上旋转对称的工件外曲面进行测量的测量系统，其特征在于，所述测量系统具有至少一个包括至少一个雷达传感器(152，153，252，253，352，452，552，652，653)的雷达传感器阵列。

12.根据权利要求11所述的测量系统，其中将所述测量系统配置成为直径测量系统、形状测量系统和/或粗糙度测量系统。

13.根据权利要求11或12所述的测量系统，其中将所需测量系统设计成在线测量系统，其中适宜将雷达传感器(152，153，252，253，352，452，552，652，653)适当安置在用于对工件(160，360，460，560，660)的工件表面进行材料去除地精加工的装置(110，610)的精加工工具(140，240)上，使得精加工工具用作为雷达传感器的传感器支架。

14.根据权利要求11～13中任一项所述的测量系统，其中所述测量系统用来执行权利要求1～10中任一项所述的方法。

15.一种用于对工件(160，360，460，560，660)的工件表面进行材料去除地精加工的、尤其是用于对工件外曲面基本上旋转对称的工件段进行珩磨或精加工的装置，具有至少一个用来加工工件表面的精加工工具(140，240)和用来测量工具表面的测量系统，其特征在于，所述测量系统符合权利要求11～14中任一项所述的特征，和/或用来执行权利要求1～10中任一项所述的方法。

16.根据权利要求15所述的装置，其中测量系统(150)的分析装置通过信号传输方式与加工机床的控制装置(125)相连，并且与该控制装置共同构成一个调节装置，该调节装置根据利用测量系统获得的表面测量值对加工进行控制，其中适宜根据测量系统的表面测量值来控制加工时间和/或切削材料载体的压紧力。

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