DD297594A5 - Verfahren zur erfassung des zustandes von schleifkoerperwirkflaechen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren unter Nutzung eines opto-elektronischen Sensors zur Erfassung des Zustandes von Schleifkoerper-Wirkflaechen durch in-process- bzw. post-process-Messung. Durch einen Sensor wird ein mit dem Zustand der Schleifkoerper-Wirkflaeche korrelierendes Signal erzeugt, das direkt zur Anzeige gebracht oder zur Auswertung einem Rechner zugefuehrt wird, wodurch eine Beeinflussung des Verfahrensablaufes beim Schleifen (Erkennung des Standzeitendes des Schleifkoerpers) und Abrichten (Bestimmung des minimal erforderlichen Abrichtbetrages) gegeben ist (Objektivierung bzw. Optimierung der Verfahrensgestaltung).{prozesznahes Messen; in-process-Messung; post-process-Messung; Oberflaechensensor; Schleifkoerper; Schleifkoerper-Wirkflaeche; Schleifen; Standzeitendeerkennung; Abrichten von Schleifkoerpern; Abrichtbetrag; automatisierte Fertigung}

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren unter Nutzung eines optoelektronischen Sensors zur Erfassung des Zustandes von Schleifkörperwirkflächen durch in-process- bzw. post-process-Messung. Sie dient zur kontinuierlichen oder intermittierenden Kontrolle des Zustandes von Schleifkörper-Wirkflächen vorzugsweise auf Schleifmaschinen in der metallverarbeitenden Industrie und ermöglicht eine Beeinflussung des Verfahrensablaufes beim Schleifen (Erkennung des Standzeitendes des Schleifkörpers) und beim Abrichten (Bestimmung des minimalen Abrichtbetrages). Der Zustand der Schleifkörper-Wirkfläche (Mikrogeometrie bzw. Schleifkörpertopographie und Makrogeometrie) ist eine

wesentliche Eingangsgröße bei der Schleifbearbeitung und bestimmt in entscheidendem Maße die Produktivität und die erreichbare Werkstückgenauigkeit.

Insbesondere aufgrund der mechanischen und thermischen Beanspruchung unterliegen Schleifkörper wie andere Werkzeuge Verschleißerscheinungen, die sich in Maß- und Formänderungen (Makrogeometrie) sowie Veränderungen der Schleifkörpertopographie (Mikrogeometrie) äußern und schließlich zum Standzeitende führen. Die Schleifkörpertopographie steht im engen Zusammenhang mit dem Schleifverhalten des Schleifkörpers (Schleifkräfte, Werkstückrauheit, Schleiftemperaturen). Veränderungen der Schleif körpertopographie können sich durch Ausbruch oder Abstumpfung von Schleif körnern sowie Metalleinlagerungen in den Poren bzw. Ablagerungen auf den Schleifkörnern ergeben. Die Beseitigung der Verschloißerscheinungen erfolgt durch das Abrichten des Schleif körpers. Für die praktische Anwendung der Schleifverfahren ist es wünschenswert, während des Schleifens den realen Zeitpunkt des Standzeitendes und beim

nachfolgenden Abrichten den Zeitpunkt zur Beendigung des Abrichtvorganges (erforderlicher Gesamtabrichtbetrag) festzustellen.

Verbreitet ist in der Praxis die Vorgabe einer festen Standzeit über eine bestimmte Anzahl von Werkstücken, eine bestimmte Schleifzeit oder ein bestimmtes Spanvolumen. Diese vorgegebene Standzeit basiert auf Erfahrungswerten unter Berücksichtigung von Sicherheitsfaktoren und entspricht selten den wahren (z.T. schwankenden) Werten. Gleiches gilt für die

(Gesamt-)Abrichtbeträge.

Abweichungen von den realen Werten der Standzeit und des erforderlichen Gesamtabrichtbetrages sin aus technischen Gründen und/oder ökonomischen Gründen (Ausschuß, Nacharbeit, erhöhter Schieifkörperverlust, Wertminderung des Abrichtwerkzeuges, erhöhte Zbitaufwendungen) nicht vertretbar. Zur Beurteilung des Zustandes der Schleifkörperwirkfläche bzw. zur Erkennung des Standzeitendes des Schleifkörpers sind

verschiedene Lösungen bekanm.

In der Literatur wurde eine Reihe von mechanischen Abtast- bzw. Abbildverfahren beschrieben, mit denen statistische Kenngrößen der Schleifkörperwirkfläche (Schneidenzahl, Wirkrauhtiefe) ermittelt werden. Eine Anwendung unter Produktionsbedingungen ist aufgrund der Empfindlichkeit der Geräte gegenüber Umwelteinflüssen sowie unvertretbar hoher Zeitaufwendungen nicht möglich bzw. stark eingeschränkt. Weitere Lösungen basieren auf der Messung von Komponenten der Spanungskraft oder damit im Zusammenhang stehender Größen bzw. auf der Auswertung von Schwingungen. Nach der DE-OS 3529427 wird aus dem Signal des maschineninternen Wegmeßsystems (nominaler Vorschubweg) und dem Signal der Meßsteuereinrichtung (realer Vorschubweg) ein Ist-Differenzwert gebildet (Systemdeformation). Das Signal zum Abrichten wird gegeben, wenn der Ist-Differenzwert wenigstens gleich einem vorgegebenen Soll-Differenzwert ist. Der Patentschrift DE-PS 1023362 liegt eine Lösung zugrunde, die den Grad der Abstumpfung des Schleifkörpers anhand einer Strommessung bzw. anhand der Maßänderung des Werkstückes in einer vorgegebenen Zeitspanne (entspricht der realen Vorschubpeschwindigkeit) feststellt. Der Verschleiß des Schleif körpers ist i. a. auch mit einer mehr oder weniger ausgeprägten Entwicklung der bei der Bearbeitung

auftretenden Schwingungen verbunden.

In der Erfindungsbeschreibung SU 1148771 wird der Minimalwert der Amplitude von Schwingungen in einem bestimmten Frequenzbereich innerhalb der Standzeit des Schleifkörpers erfaßt. Das Ansteigen der Amplitude auf den 2,3... 2,5fachen Wert

des Minimums wird als Kennzeichen des Standzeitendes angesehen.

Die in der DD-PS 263489 beschriebenen Lösung basiert auf der Erfassung der Schwingungsamplituden in zwei Frequenzbändern

(8...300Hz, 300... 1200Hz).

Wenn die Amplitude des Signals im oberen Frequenzbereich diejenige im unteren Frequenzbereich erreicht hat, ist diesem Patent zufolge das Standzeitende erreicht. Das Zusetzen der Poren des Schleifkörpers ist zwar kein Verschleiß im üblichen Sinne, aber auch diese Erscheinung kann unter

bestimmten Bedingungen das Standzeitende des Schleifkörpers bestimmen.

Darauf bezieht sich die Erfindungsbeschreibung SU 1152771. Mit einem induktiven Aufnehmer wird die Zusetzung der Schleifkörperwirkfläche mit Metallpartikeln erfaßt. Bekannt sind auch verschiedene optoelektronische Verfahren, entweder allgemein zur Beurteilung rauher Oberflächen, oder

aber auch speziell für Schleifkörperwirkflächen vorgesehen.

Bei einigen Lösungsvarianten wird die rauhe Oberfläche mit relativ ausgedehnten Lichtbündeln angestrahlt. Diesen Verfahren

liegt die Überlegung zugrunde, daß eine ausgesprochen rauhe Oberfläche das Verhältnis von direkt und diffus reflektiertem Licht anders beeinflußt als eine weniger rauhe Oberfläche.

Die reflektierten Lichtanteile werden entweder mit einem oder zwei Empfängern in ausgewählten festen Reflexionswinkeln oder

über dem gesamten Winkelbereich erfaßt.

Im letzten Fall kommen dazu entweder schwenkbare Einzelempfänger oder eine Vielzahl von Empfängern, die über dem

interessierenden Winkelbereich verteilt angeordnet sind, zur Anwendung.

Ein Nachteil ist dabei der hohe Aufwand zur Auswertung der Signale. Falls der optoelektronische Sensor nur einen Empfängerstrahlengang besitzt, sind aufwendige Maßnahmen erforderlich, um den Strahlen jang bzw. die zu untersuchende Oberfläche sauber bzw. störfroi zu halten. Bei der Anwendung zweier getrennter Strahlungsempfänger mit getrennter Signalaufbereitung ergibt sich zwar demgegenüber

eine geringere Störanfälligkeit, der Aufwand ist jedoch auch höher und die Empfindlichkeit begrenzt, weil Unterschiede in den beiden Kanälen oft zu gering sind, und die Empfänger meist ein unterschiedliches Verhalten haben.

Diese Nachteile werden mit den in den Patentschriften DD 219854 und DD 252880 beschriebenen ähnlichen Schaltungsvarianten

überwunden. Dabei ist der optische Weg Teil eines Ringschlusses. Der Ringschluß gewährleistet eine hohe

Allgemeinempfindlichkeit. Allerdings ist der dabei vorgesahene relativ große Lichtfleck kaum geeignet, partielle Veränderungen

in ihrer Art und Lage auf der Schleifkörperwirkfläche eindeutig zu erfassen.

Es sind weiterhin Verfahren bekannt, bei denen mit sehr feinen Strahlenbündeln versucht wird, die interessierende Fläche zu

analysieren.

Ein in der Literatur beschriebenes Verfahren arbeitet nach dem Triangulationsverfahren (Schleifscheiben-Geometrie und

-Topographie in Echtzeit/Gosebruch, H.; In: VDI-Zeitschrift, Düsseldorf 131 [1989] 1, S.68-71).

Dabei wird von einer Laser-Lichtquelle ein feines Lichtbündel auf die Schleifkörperwirkfläche projiziert und das reflektierte Licht

mit einer Optik auf einer Empfänger-Zeile abgebildet.

Der Abstand vom Meßobjekt bestimmt den Ort auf der Empfänger-Zeile auf dem sich der Lichtpunkt abbildet, und kann damit

berechnet werden.

Bemerkenswert an einem derartigen Sensorprinzip ist, daß sowohl die Makro- als auch die Mikrogeometrie des Schleifkörpers

analysiert werden könnten.

Der Aufwand zur Auswertung ist allerdings aufgrund der großen Datenmengen und der erforderlichen Rechengeschwindigkeit

zu hoch.

Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren sowie eine Meßgeräteanordnung zu entwickeln, womit eine direkte, objektive und

weitgehend störungsarme Beurteilung (in-process oder prozeßintermitti6rend) des Zustandes der Mikrogeometrie (Abrichtzustand bzw. Verschleißzustand) von Schleifkörper-Wirkflächen realisiert werden kann, so daß eine indirekte (Beratung des Maschinenbedieners) oder direkte Steuerung des Verfahrensablaufes beim Abrichten und/oder Schleifen ermöglicht wird.

Sie stellt einen Beitrag zur Objektivierung bzw. Optimierung der Verfahrensgestaltung beim Schleifen nach technischen und

ökonomischen Gesichtspunkten dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Erfassung des Zustandes von Schleifkörperwirkflächen ein Verfahren zu

entwickeln scwie eine Meßgeräteanordnung auf der Basis eines optoelektronischen Sensors zu schaffen.

Diese Meß&eräteanordnung soll ausgehend von Entwicklungstrends zu hohen Genauigkeitsforderungen, die die breite Anwendung der Schleifverfahren zukünftig auch unter Bedingungen der flexiblen automatisierten Fertigung erfordern,

konzipiert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist es sinnvoll, ein Meßverfahren zu nutzen, daß sowohl die Bewertung des Verschleißfortschritts am Schleifkörper beim Schleifen (Standzeitendeerkennung) als auch die Kontrolle der Verschleißbeseitigung beim Abrichten

klaubt. Zur Erkennung bzw. Bewertung des Zustandes der Schleifkörper-Wiikfläche wird die im Zusammenhang mit

Verschleißerscheinungen stehende Veränderung der optischen Eigenschaften, insbesondere der Reflexionseigenschaften,

genutzt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Nutzung eines bekannten Prinzips dadurch gelöst, daß eine Strahlungsquelle auf die Schleifkörperwirkfläche gerichtet wird und die Intensitäten der regulär reflektierten sowie eines Anteils der diffus reflektierten Strahlung mit zwei Strahlungsempfängern unter Verwendung des bekannten Meßprinzips des Ringschlusses erfaßt werden (DD 252880).

Durch den Ringschluß wird dabei die Strahlungsleistung der Lichtquelle so geregelt, dall der Reguläranteil unter veränderlichen Meßbedingungen konstant bleibt. Dadurch wird der Zustand der Schleifkörperwirkfläche durch die Amplitude des Streuanteils widergespiegelt.

Gegenüber der o.g. Lösung zeichnet sich die Meßeinrichtung neben der speziellen weiteren Signalverarbeitung dadurch aus, daß der Lichtfleck eine deutlich kleinere Ausdehnung als die Schleifkörperbreite hat und daß der Sensor axial relativ zum Schleifkörper bewegt wird.

Aufgrund der kleineren Ausdehnung des Lichtflecks lassen sich auch partielle unzulässige Verschleißzustände der Schleifkörperwirkfläche, wie sie z. B. beim Längsschleifen oder auch beim Einstechschleifen (Werkstück- oder Schleifbreite kleiner als Schleifkörperbreite) durch unterschiedliche Belastung auftreten, sicherer erkennen.

Da das Signal am Ausgang der Meßeinrichtung von der Spezifikation des verwendeten Schleifkörpers abhängig ist, muß ausführungsgemäß ein Sollwert bzw. Sollverlauf des Signals entsprechend einem bestimmten Zustand (Abricht- bzw. Verschleißzustand) der Schleifkörper-Wirkfläche durch teach-in vorgegeben werden. Das in-process bzw. prozeßintermittierend beim Abrichten oder Schleifen erfaßte Sensorsignal wird, ggf. nach einer Filterung (Tiefpaß), durch einen Vergleicher (Rechner) mit dem Sollwert bzw. Sollverlauf verglichen. In Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleiches wird das Standzeitende beim Schleifen angezeigt bzw. der Abrichtvorgang beendet.

Denkbar ist auch die Nutzung eines nicht in Eingriff kommenden Breitenelementes der Schleifkörperwirkfläche zur Gewinnung eines Sollwertes des Sensorsignals.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann der Zustand der Schleifkörper-Wirkfläche beim Abrichten und Schleifen mit relativ geringen Aufwendungen erfaßt werden, wodurch eine wesentliche Voraussetzung zur Objektivierung bzw. Optimierung der Bearbeitung auf Schleifmaschinen geschaffer wird

Anhand der Fig. 1 und 2 wird die Erfindung näher erläutert.

Geeignete Orte zur optischen Abtastung der Schleifkörperwirkfläche arn Schleifkörper 1 sind maschinenfest um 180" bis ca. 340° in Schnittrichtung zur Bearbeitungszone versetzt. (Fig. 1)

Denkbar ist eine Anbringung des Sensors 3 am Reitstock bzw. an der Abrichtvorrichtung 5 auf dem Längsschlitten der Schleifmaschine (Fig. 1 a), wodurch bei der ausschließlichen Nutzung zur in-process-Überwachung des Schleifkörperzustdndes während des Abrichtvorganges bzw. zur prozeßintermittierenden Überwachung beim Schleifen eines Werkstückes 2 zusätzliche Einrichtungen zur axialen Relativbewegung bzw. zur radialen Positionierung u. U. entfallen können.

Um bei dieser Anbringungsvariante den Strahlengang und Meßfleck weitestgehend frei von direkten Kühlmitteleinflüssen zu halten, wäre bei der prozeßintermittierenden Überwachung beim Schleifen, z. B. während eines Werkstückwechsels, die Kühlmittelzufuhr durch die Kühlmitteldüse 4.1 (falls nicht überhaupt so vorgesehen) zu unterbrechen. Zur in-process-Überwachung des Abrichtvorganges ist bei der Anbringung des Sensors an der Abrichtvorrichtung 5 eine zusätzliche Kühlmitteldüse 4.2 (unterhalb des Sensors 3 und oberhrlb des Abrichtwerkzeuges 6 entsprechend Fig. 1 a) vorzusehen. Die Zufuhr des Kühlmittels durch die übliche Kühlmitteldüse 4.1 wird dabei während des Abrichtens abgeschaltet. Wird der Sensor mit einer eigenständigen Positioniereinrichtung realisiert, so ist die Anordnung entsprechend Fig. 1 b im Winkelbereich β innerhalb der Schutzhaube 7 praktisch möglich.

Aus Gründen der Zugänglichkeit und geringerer störender Einflüsse (Kühlmittel, Schleifspäne, Funken) ist die Anordnung in Punkt B günstig.

Zur Positionierung des Sensors 3 relativ zum Schleifkörper 1 sind aufgrund der kleinen zu bewegenden Massen und der geringen zu realisierenden Geschwindigkeiten insbesondere Schrittmotorantriebe geeignet (in Fig. 1 nicht dargestellt). Die radiale Positionierung zur Einhaltung eines konstanten Grundabstandes des Sensors von der Schleifkörper-Wirkfläche des Schleifkörpers 1 sollte aufbauend auf die Messung mit einem berührungslosen Abstandssensor erfolgen, wobei praktisch ein pneumatisches Längenmeßsystem (Prinzip Düse-Prallplatte) eine geeignete Lösung darstellt (in Fig. 1 nicht dargestellt). Der Grundabstand Sensor/Schleifkörper-Wirkfläche wird über Konstanthaltung des Druckabfalls am pneumatischen Längenmeßsystem durch Verstellung mit dem Schrittmotorantrieb aufrechterhalten. Denkbar ist auch eine rein pneumatische Lösung, wobei sich der Sensor auf einem Luftkissen gegenüber der Schleifkörperwirkfläche abstützt. Der Strahlengang im Sensorsystem und der momentane Meßfleck sind zur Verringerung von Störeinflüssen mit Druckluft freizublasen. Nachdem ein neuer Schleifkörper auf der Schleifspindel aufgenommen und der Schleifkörper mit quasi-optimalen Bedingungen (quasi-optimal hinsichtlich der Stellgrößen und der Gesamtabricht-Schnittiefe) abgerichtet wurde, wird dieser mit dem Sensor optisch abgetastat und der Signalverlauf abgespeichert.

Der Signalverlauf wird mit einem breiteren Toleranzband I (entsprechend einem zulässigen Verschleißzustand am Standzeitende) und einem schmaieren Toleranzband Il (entsprechend dem erlaubten Streuoereich des Abrichtzustandes des Schleif körpers) versehen (Fig. 2).

Zur Überwachung des 7ustandes der Schleifkörper-Wirkflächt» beim Schleifen wird das in-process oder prozeßintermittierend (z.B. während eines Werkstückwechsels) gewonnene aktuelle Sensorsignals mit dem Toleranzband I verglichen. Nach dem Überschreiten dieses Toleranzbandes wird dem Maschinenbediener das Standzeitende angezeigt bzw. über ein Signal an die Maschinensteuerung der Abrichtvorgang ausgelöst.

Der Abrichtvorgang wird so lange fortgesetzt, bis das in-process bzw. prozeßintermittierend (z. B. zwischen zwei Abrichtüberlaufen) erfaßte Sensorsignal wieder innerhalb des Toleranzbandes Il liegt und sich damit der Schleifkörper wieder in einem arbeitsfähigem Zustand befindet.

Gegebenenfalls sind der Sollverlauf des Sensorsignals und die Toleranzbänder I und Il bei großen Durchmesseränderungen während der Nutzungsdauer des Schleifkörpers neu einzustellen.

Claims (3)

1. Verfahren zur Erfassung des Zustandes von Schleifkörperwirkflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle eines optoelektronischen Sensors auf die Schleifkörperwirkfläche gerichtet ist und die reflektierte Strahlung mit ihrem Reguläranteil und einem ausgewählten Streuanteil nach dem Prinzip des geteilten Strahlenganges erfaßt und derart verarbeitet wird, daß ein den konkreten Einsatzbedingungen entsprechender erlernter Signalverlauf mit einem Toleranzband I versehen wird, das einem zulässigen Verschleißzustand der Schleifkörperwirkfläche (innerhalb der Standzeit des Schleifkörpers) entspricht, und dessen Überschreitung bei einer kontinuierlichen oder intermittierenden Messung während des Schleifvorganges angezeigt wird und zur Erkennung des Standzeitendes des Schleifkörpers durch den Maschinenbedianer dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erlernte Signalverlauf mit einem (schmaleren) Toleranzband Il versehen wird, in dem das Signal des optoelektronischen Sensors entsprechend dem Zustand der Schleifkörperwirkfläche nach einem ordnungsgemäßen Abrichtvorgang liegt und daß nach erfolgter Schleifbearbeitung und erreichtem Standzeitende des Schleifkörper der Wiedereintritt des kontinuierlich oder intermittierend während des Abrichtvorganges gemessenen Signals des optoelektronischen Sensors in dieses Toleranzband Il zur Bestimmung des minimal erforderlichen Abrichtbetrages für den Maschinenbediener angezeigt wird und damit als Kriterium für die Beendigung des Abrichtvorganges genutzt werden kann.

3. Verfahren zur Erfassung des Zustandes von Schleifkörporwirkflächen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachung des Signalverlaufes (Austritt des Signals aus dem Toleranzband I bzw. Eintritt des Signals in das Toleranzband II) durch ein der Maschinensteuerung zugeordnetes Gerät (Rechner) automatisch ausgeführt und zur Beeinflussung der Bearbeitung auf der Schleifmaschine genutzt wird (Objektivierung der Verfahrensgestaltung nach technischen und ökonomischen Gesichtspunkten).