DE102009059331B4

DE102009059331B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Feinbearbeitung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102009059331B4
Application number: DE102009059331.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Langenstein
Original assignee: Gleason Switzerland AG
Current assignee: Gleason Switzerland Ag Ch
Priority date: 2009-01-02
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2029-12-31
Also published as: DE102009059331A1; CH700206A1; CH700206B1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Feinbearbeitung eines Werkstücks (2), das eine Verzahnung aufweist, umfassend:eine Spindel (3) zur Anordnung des zu bearbeitenden Werkstücks (2) an der Spindel (3);einen Antrieb (5) zur Erzeugung einer Rotation der Spindel (3);eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks (2) relativ zur Spindel (3), wobei die Messeinrichtung wenigstens einen im Bereich der Verzahnung des Werkstücks (2) angeordneten Sensor (7) zur Erfassung von Messdaten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dassein insbesondere zur Spindel (3) hin bewegbarer Honring (6) vorgesehen ist undder Sensor (7) derart innerhalb des Honrings (6) angeordnet ist, dass Messdaten betreffend Parameter der Verzahnung des Werkstücks (2) in einer Bearbeitungsposition des Werkstücks (2) erfassbar sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung eines Werkstücks, das eine Verzahnung aufweist, umfassend: eine Spindel zur Anordnung des zu bearbeitenden Werkstücks an der Spindel; einen Antrieb zur Erzeugung einer Rotation der Spindel; und eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks relativ zur Spindel, wobei die Messeinrichtung wenigstens einen im Bereich der Verzahnung des Werkstücks angeordneten Sensor zur Erfassung von Messdaten aufweist. Außerdem betrifft die Anmeldung ein Verfahren zur Feinbearbeitung eines Werkstücks, das eine Verzahnung aufweist, insbesondere mittels einer Vorrichtung wie oben beschrieben, umfassend die Schritte:

a) Anordnen des Werkstücks an einer Spindel; b) Antreiben der Spindel zur Erzeugung einer Rotation des Werkstücks; c) Erfassung von Messwerten in Bezug auf die Verzahnung des Werkstücks im Bereich der Verzahnung des rotierenden Werkstücks mittels wenigstens eines Sensors; und d) Ermittlung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks relativ zur Spindel.

STAND DER TECHNIK
Bei der Herstellung von Zahnrädern mit hohen Anforderungen an die Laufqualität wird die Oberfläche der Zahnflanken eines vorverzahnten Werkstücks (Zahnrads) einer Feinbearbeitung mit Hilfe eines Feinbearbeitungswerkzeugs unterzogen. Beispielsweise werden die Zahnflanken des Werkstücks mit einem Hon- oder Schleifwerkzeug bearbeitet. Dabei wird das vorverzahnte Werkstück zunächst an einer Bearbeitungsspindel angeordnet.
Vor Beginn der Bearbeitung ist es erforderlich, die Winkellage des zu bearbeitenden Werkstücks relativ zur Bearbeitungsspindel festzustellen, um bei der Bearbeitung einen möglichst mittigen Eingriff des Honwerkzeuges in die Zahnlücken des vorverzahnten Werkstücks sicherzustellen. Dazu wird das Zahnrad in Drehung versetzt und mit Hilfe einer Messsonde (Einzentriersonde) die Winkellage der Verzahnung des Werkstücks relativ zur Spindel erfasst, so dass diese mit der Lage der Eingriffsmittel des Honwerkzeuges abgeglichen werden kann. Der Sensor kann beispielsweise ein induktiver Näherungsschalter sein, der das sich drehende Zahnrad radial abtastet. So wird die relative Winkellage bestimmt.
Da die Feinbearbeitung der Zahnflanken des Zahnrades hohe Präzision erfordert, ist eine Vielzahl von Messpunkten wünschenswert. Außerdem ist der Zeitaufwand für die Bestimmung der Winkellage erheblich und wirkt sich negativ auf den Durchsatz der Feinbearbeitungsmaschine aus.
Wird zusätzlich mit Hilfe desselben Sensors (oder eines anderen Sensors) eine Verzahnungsprüfung oder Verzahnungsvermessung durchgeführt, bei denen die einzelnen Zähne über die gesamte Zahnradbreite vermessen werden müssen, muss ein noch größerer Zeitaufwand in Kauf genommen werden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Ausgehend davon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Feinbearbeitungsmaschine mit einer präzise funktionierenden Zahnradpositionierung und ein Verfahren zu deren Betrieb bereitzustellen, mit deren Hilfe der Durchsatz der Feinbearbeitung erhöht werden kann.
DE 199 28 500 A1 , DE 199 20 323 A1 , DE 8 607 328 U1 und DE 41 33 539 C1 beschäftigen sich jeweils mit Einmittvorgängen, insbesondere mit Schleifschnecken oder Schleifscheiben, Schälwerkzeugen und wälzfräsartigen Werkzeugen.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 und ein Verfahren zur Feinbearbeitung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9 Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Feinbearbeitung eines Werkstücks, das eine Verzahnung aufweist, umfasst: eine Spindel zur Anordnung des zu bearbeitenden Werkstücks an der Spindel; einen Antrieb zur Erzeugung einer Rotation der Spindel; und eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks relativ zur Spindel, wobei die Messeinrichtung wenigstens einen im Bereich der Verzahnung des Werkstücks angeordneten Sensor zur Erfassung von Messdaten aufweist. Der Sensor ist derart innerhalb der Vorrichtung angeordnet, dass Messdaten betreffend Parameter der Verzahnung des Werkstücks in einer Bearbeitungsposition des Werkstücks erfassbar sind.
Das Zahnraderkennungssystem setzt sich prinzipiell wenigstens aus einem Sensor und einer Auswerteelektronik zusammen. Mit Hilfe des Sensors können die Verzahnung des Werkstücks oder auch eines Abrichtzahnrads, z.B. eines Diamant-Abrichtzahnrads, abgetastet werden. Der Sensor mit einer entsprechenden Auswerteelektronik ist abgekoppelt von Steuerungen der Präzisionsbearbeitungsmaschine konzipiert bzw. arbeitet unabhängig von diesen, um eine möglichst schnelle Lagebestimmung, im optimalen Fall annähernd eine Echtzeitbestimmung, durchzuführen.
Um ein System mit einem bestimmten Sensor für Messungen an unterschiedlichen Zahnrädern bzw. für das Abrichtzahnrad verwenden zu können, sollte der Sensor möglichst wenig sensitiv auf Abstandsänderungen reagieren. Dies bedeutet, dass Sensoren mit großen Messbereichen und Toleranzen bevorzugt sind. Die Sensoren sollten möglichst universell für verschiedene Verzahnungen eingesetzt werden können. Vorteilhaft ist außerdem das Vorsehen einer zusätzlichen Positionierachse, wodurch der Messbereich des Sensors deutlich erweitert werden kann.
Um Beschädigungen des Sensors nach dem Erfassen der Winkellage, z.B. während der Bearbeitung des Werkstücks, zu vermeiden, kann der Sensor bewegbar angeordnet sein, so dass er nach seinem Einsatz aus einem potentiellen Gefahrenbereich zurückgezogen werden kann, um Beschädigungen zu vermeiden.
Die Bearbeitungsposition im Sinne der Anmeldung ist eine Position, in der die Feinbearbeitung durchgeführt wird oder zumindest durchgeführt werden kann, also insbesondere eine Position, in der die Verzahnung des Werkstücks bereits mit dem Werkzeug in Eingriff steht. In diesem Fall müssen das Werkzeug und das Werkstück bzw. das Abrichtzahnrad synchron laufen. Das Werkstück bzw. Abrichtzahnrad kann sich jedoch auch in der Bearbeitungsposition außer Eingriff mit dem Werkzeug befinden. In diesem Fall müssen das Werkzeug und das Werkstück bzw. das Abrichtzahnrad nicht synchron laufen. Die Bearbeitungsposition ist dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug und das Werkstück bzw. Abrichtzahnrad durch eine (geringfügige) relative Bewegung in Eingriff gebracht werden können. Insbesondere kann das Werkzeug, z.B. ein Honring, zur Spindel hin bewegt werden (beispielsweise durch eine translatorische Bewegung und/oder ein Verschwenken), um den Eingriff herzustellen. In der Bearbeitungsposition wird der Antrieb der Spindel unmittelbar vor einem Eingriff des Werkstücks mit dem Werkzeug hochgefahren und das Werkstück in Rotation versetzt. Während des Hochfahrens wird drehzahlunabhängig der Winkelversatz (Differenz zwischen Ist- und Sollposition) des Werkstücks relativ zur Spindel bestimmt, bevor sich das mit einer vordefinierten Geschwindigkeit drehende Werkstück mit dem Werkzeug in Eingriff gebracht wird.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung wenigstens ein Bearbeitungswerkzeug auf, das in der Bearbeitungsposition des Werkstücks mit der Verzahnung des Werkstücks in Eingriff steht. Das Bearbeitungswerkzeug ist insbesondere ein Honwerkzeug bzw. ein Honring, ein Schleifwerkzeug, etc.. Es ist in der Regel so bewegbar, dass es in und außer Eingriff mit einem oder mehreren Werkstücken bringbar ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Messeinrichtung wenigstens eine Lageerfassungseinrichtung zur Ermittlung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten auf. Die Lageerfassungseinrichtung kann eine entsprechende Karte bzw. Schaltung sein, die, im Wesentlichen unabhängig von Steuereinrichtungen der Feinbearbeitungsmaschine, z.B. der Honmaschine, arbeitet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor als digital schaltender Sensor ausgebildet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor als analoger Sensor ausgebildet sein. Der Sensor kann beispielsweise ein analoger Abstandssensor mit hoher Bandbreite sein, der etwa nach dem induktiven Prinzip arbeitet. Die Ansprechzeit des Sensors sollte gering sein. Insbesondere beim Einsatz analoger Sensoren können Wirbelstromsensoren eingesetzt werden, um eine große Bandbreite zu erzielen.
Da Analogsensoren auf Abstandsänderungen ansprechen, können beim Zahneingriff auch Crashs detektiert und entsprechende Schutzmassnahmen eingeleitet werden. Mit Hilfe analoger Sensoren kann die Maßhaltigkeit überwacht werden. Ebenso ist bei Verwendung hochsensibler Sensoren eine indirekte Kraftmessung denkbar.
Durch die Verwendung der Analogtechnik werden Phasen- bzw. Winkelfehler vermieden, da der ermittelte Winkel unabhängig vom Sensorabstand ist. Zudem können durch Analogauswertung in Kombination mit einem geeigneten Sensor mit dem gleichen Sensor sehr viele unterschiedliche Verzahnungen gemessen werden.
Analoge Sensoren weisen außerdem keine Hysterese (wegen Schmitt-Trigger) auf und erzeugen somit keinen Zeit- bzw. Positionsversatz. Da der Sensor absolute oder relative Abstandsänderungen des Messobjekts erfassen kann, ist eine Abstandseinstellung des Sensors relativ zum Zahnkopf möglich. Der Sensor kann sich selbst zentrieren bzw. fokussieren. Bei der relativen Abstandsmessung steht die Amplitude des Messsignals im Zusammenhang mit dem Messabstand, womit wieder auf den Abstand zurückgeschlossen werden kann. Dadurch wird auch die Möglichkeit gegeben, den Abstand des Sensors zum Werkstück automatisch, evtl. mit Hilfe eines Lernprozesses, einzustellen. Er ist, im besten Fall ohne jede Umrüstung, für unterschiedlich ausgebildete Zahnräder bzw. Abrichtzahnräder einsetzbar.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Feinbearbeitung eines Werkstücks bzw. zur Bearbeitung eines Werkzeugs, das eine Verzahnung aufweist, insbesondere mittels einer Vorrichtung wie oben beschrieben, umfasst die Schritte: a) Anordnen des Werkstücks bzw. eines Abrichtzahnrads an einer Spindel; b) Antreiben der Spindel zur Erzeugung einer Rotation des Werkstücks bzw. des Abrichtzahnrads; c) Erfassung von Messwerten in Bezug auf die Verzahnung des Werkstücks bzw. des Abrichtzahnrads im Bereich der Verzahnung des rotierenden Werkstücks bzw. des Abrichtzahnrads mittels wenigstens eines Sensors; und d) Ermittlung der Winkellage und/oder der Verzahnungsqualität der Verzahnung des Werkstücks bzw. des Abrichtzahnrads relativ zur Spindel. Die Messwerte werden wenigstens in einem Zeitraum beim Hochlaufen oder nach dem Hochlaufen der Spindel im Verfahrensschritt b) erfasst. Die Messung der Winkellage im Rahmen der Erfindung erfolgt drehzahlunabhängig.
Die Messwerte können somit während des Hochlaufens auf die bestimmungsgemäße Bearbeitungsdrehzahl der Spindel oder auf eine Zwischendrehzahl oder nach dem Hochlaufen, z.B. während der Bearbeitung des Werkstücks, erfasst werden. Die Erfassung kann jedoch auch beim Verzögern der Spindel erfolgen. Durch die Messung während des HochlaufensNerzögerns der Spindel oder während der Bearbeitung wird die Bearbeitungszeit insgesamt verkürzt. Ein Messen bei verschiedenen Drehzahlen vor oder während der Bearbeitung ist ebenfalls möglich.
Die Winkellage wird in der Regel beim Hochlaufen bestimmt. Während der Bearbeitung, also im Eingriff mit dem Werkzeug, können vom selben Sensor die Winkellage überwacht werden (z.B. zur Detektion des Rutschens eines Teils auf dem Spanndorn). Zudem kann mittels des Sensors die Überwachung der Verzahnungsqualität (beispielsweise von Merkmalen wie Werkstückgröße, kinematischer Übertragungs- bzw. Summenteilungsfehler, Rundlauffehler etc.) übernommen werden.
Phasendrehungen (frequenzabhängige Phasenverschiebungen) durch eine begrenzte Bandbreite des Sensors bzw. Signallaufzeiten in der Sensorik und der Auswerteelektronik können kompensiert werden, indem beispielsweise eine Tabelle mit der frequenzabhängigen Phasendrehung des Sensors hinterlegt wird. Die Kompensationstabelle kann einfach angelernt werde, indem Messungen für verschiedene konstante Drehzahlen ausgeführt werden. Über die Lagegebersignale kann (durch Differenzieren) für jeden Messpunkt die aktuelle Zahnfrequenz bestimmt und in der Phasenkorrektur berücksichtigt werden.
In den Verfahrensschritten a) bis d) ist das Werkstück vorzugsweise bereits in einer Bearbeitungsposition angeordnet, allerdings noch außer Eingriff mit dem Bearbeitungswerkzeug. Durch eine relative Bewegung zwischen dem Werkzeug und Werkstück bzw. Abrichtzahnrad wird das Werkstück mit dem Bearbeitungswerkzeug in Eingriff gebracht, insbesondere durch eine Bewegung des Werkzeugs.
In einer alternativen Ausführungsform kann neben der Bearbeitungsposition eine Bestückungs- oder Messposition vorgesehen sein. Die Bestückungs- oder Messposition ist auf einer dem Prozess abgewandten Seite innerhalb der Vorrichtung angeordnet. In dieser Position oder beim Übergang in die Bearbeitungsposition kann erfindungsgemäß ebenfalls eine Messung der Winkellage während des Hochfahrens des Spindelantriebs erfolgen. Nach dem Hochfahren wird das Werkstück in die Bearbeitungsposition bewegt und, nach der Winkelkorrektur, in Eingriff mit dem Werkzeug gebracht. Wichtig ist, dass auch in diesem Fall die Spindel die für das In-Eingriff-Bringen bzw. die Bearbeitung benötigte Geschwindigkeit beim Hochfahren und somit während der Messung des Winkelversatzes erreicht. Bei einer Honmaschine können sämtliche der genannten Positionen im Bereich innerhalb des Honrings angeordnet sein. Prinzipiell kann eine Messung auch nach der Bearbeitung, z.B. beim Herunterfahren des Spindelantriebs, gemessen werden.
Um eine Bestückung und Messung an einem Werkstück während der Bearbeitung eines anderen Werkstücks zu ermöglichen, sind in diesem Fall wenigstens zwei bewegbare Spindeln vorgesehen, die abwechselnd in die Bearbeitungs- und in die Bestückungsposition gebracht werden. Dies kann mittels einer Drehvorrichtung bewerkstelligt werden. Die Messung während des Hochfahrens einer Spindel kann in einer der beiden Positionen oder auch beim Übergang von einer in die andere Position erfolgen.
Im Stand der Technik wird das Auslesen der Winkellage des Werkstücks softwaretechnisch gelöst. Der Zeitpunkt, zu dem die Winkellage ausgelesen wird, unterliegt einer zeitlichen Schwankung, die die Präzision der Auswertung verringert. Zudem ist die Auswertung meist in Steuerungen integriert, wodurch ein Auslesen der Messwerte erheblich verzögert wird. Dagegen wird das Auslesen in der vorliegenden Erfindung durch eine gemeinsame Clock und/oder durch hardwaregetriggertes Auslesen bewerkstelligt. Das Auslesen erfolgt separat und unabhängig von sonstigen Steuerungsfunktionen der Bearbeitungsmaschine.
Insbesondere werden die Messwerte vom Sensor als digitale Werte ausgegeben.
Insbesondere können die vom Sensor ausgegebenen digitalen Messwerte, z.B. Rechtecksignale, als Clock-Signale für die Lageerfassungsseinrichtung verwendet werden. Bei dem Aufbau erfolgt das Auslesen der Winkellage hardwaregetriggert. Der Signaljitter wird so minimiert. So kann die Rechteckimpulsfolge als Triggersignal für das Auswerten der Lagesignale des Lagemesssystems auf der Spindel dienen Die Rechteckimpulsfolge dient als Hardware-Trigger für die Lagemesswerterfassung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Messwerte durch den Sensor als analoge Messwerte ausgegeben. Aus dem analogen Signal können noch zusätzliche Größen ermittelt werden, beispielsweise der Abstand des Zahnrades zum Sensor, Verzahnungsfehler, etc.
Da die Auswertung mittels Software erfolgt, ist der Messbereich analoger Sensoren groß. Die Auswertung der analogen Messwerte über gepufferte Werte ist vorteilhaft, da beispielsweise Schaltschwellen nachträglich angepasst und Zeitverzüge herausgerechnet werden können. Die gesamte Auswertung kann an die Messsituation angepasst werden. Die Auswertung analoger Messwerte erfolgt im hohen kHz. bzw. im MHz-Bereich, in einem Zeitraster von wenigen Nanosekunden, so dass der Zeitverzug zwischen der Messung und der Bestimmung des Winkelversatzes äußerst gering ist. Die Auswertung kann auch zeitgleich mit der Messung erfolgen.
Bei der Bewegung eines bestimmten Zahns der Verzahnung des Werkstücks relativ zum Sensor werden insbesondere wenigstens zwei oder mehrere Messwerte erfasst. Dadurch kann eine Bewegung des Zahns relativ zum Sensor exakt erfasst werden.
Um dennoch eine maximale Geschwindigkeit bei der Ermittlung der Winkellage zu erreichen, kann ein Datenpuffer bereit gestellt werden, in den die Daten vor ihrer Auswertung geschrieben werden.
Die Auswerteelektronik ist zur schnellen Ermittlung der Winkellage des Werkstücks relativ zur Spindel ausgelegt. Abgesehen davon können aus den gemessenen Daten zusätzliche Werte ermittelt werden, beispielsweise zur Qualitätskontrolle der Verzahnung. So kann bei einer Verzahnungsprüfung die Verzahnungsgeometrie über die gesamte Zahnradbreite mit einem analogen Abstandssensor überprüft werden, der während der Messung axial (im Bezug auf die Drehachse der Spindel) verschoben wird. Die Messdaten werden mit vorgegebenen Solldaten verglichen.
Bei der Vermessung der Verzahnungsgeometrie über die gesamte Zahnradbreite kann auch ein Zeilenlaser eingesetzt werden, der das Zahnrad über die gesamte Breite vermisst bzw. abtastet. Der Sensor muss dabei während der Messung nicht bewegt werden. Die Messdaten werden anschließend mit vorgegebenen Solldaten verglichen.
Mit Hilfe der Erfindung kann die Messdauer für Messungen am Werkstück inklusive der Auswertung der Messdaten wesentlich reduziert werden. Außerdem kann die Messung sowohl beim Hochlaufen der Drehzahl der Spindel, als auch nach Erreichen der maximalen/voller Drehzahl durchgeführt werden. Mit Hilfe der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung kann eine erhebliche Zeitersparnis realisiert werden.
Figurenliste
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren. Es zeigen:

1 Eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Honmaschine;
2 Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Honmaschine.
3 eine schematische Darstellung der Auswertung digitaler Messdaten;
4 eine schematische Darstellung der Auswertung analoger Messdaten; und
5 eine Detailansicht aus der 4.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Honmaschine 1 zur Feinbearbeitung eines vorverzahnten Werkstücks, beispielsweise eines Zahnrads 2 mit Außenverzahnung.
Die Honmaschine 1 umfasst eine Spindel 3, an der das zu bearbeitenden Zahnrad 2 angeordnet ist. Innerhalb eines Gehäuses 4 ist ein Antrieb 5 zur Erzeugung einer Rotation der Spindel 3 vorgesehen.
In einer Bearbeitungsposition, wie in der 1 dargestellt, steht die Vorverzahnung des Zahnrads 2 in Eingriff mit entsprechenden Eingriffsmitteln eines Honrings 6. Die Eingriffsmittel (z.B. eine Art Innenverzahnung) des Honrings 6 wirken mit der Vorverzahnung des Zahnrads 2 zusammen, um die Vorverzahnung des Zahnrads 2 zu bearbeiten. Die Bewegungen der Spindel 3 und des Honrings 6 sind synchronisiert.
Um eine gleichmäßige Bearbeitung an beiden Flanken der Verzahnung zu erzielen, muss vor der Bearbeitung die Winkellage des Zahnrads 2 relativ zur Lage der Eingriffsmittel des Honrings 6 ermittelt werden. Zur Bestimmung der Winkellage des Zahnrads 2 relativ zur Winkellage der Spindel 3 ist eine Messsonde (Einzentriersonde, Sensor) 7 vorgesehen, die die Winkellage des Zahnrads 2 in einer Position erfasst, in der das Werkzeug 6 und das Werkstück 2 außer Eingriff stehen. Der Sensor 7 arbeitet berührungslos, beispielsweise induktiv. Er kann ein digitales oder ein analoges Signal ausgeben.
Wie aus der 1 deutlich wird, ist der Sensor 7 innerhalb der Honmaschine 1, insbesondere innerhalb des Honrings 6, angeordnet. Der Sensor 7 weist zur Innenseite des Honrings 6. Er kann z.B. am Reitstock angeordnet sein. Zudem ist der Sensor 7 derart angeordnet, dass er, während das Zahnrad 2 in einer Bearbeitungsposition steht, Parameter der Verzahnung des Zahnrads 2 erfassen kann. Dies bedeutet, dass Messdaten während des Hochlaufens des Spindelantriebs 5 und während der Bearbeitung des Zahnrads 2 aufgenommen werden können. Während der Bearbeitung können Winkellage und Qualität der Verzahnung überwacht werden. Im Ergebnis kann der Sensor 7 die Messdaten präzise auch während des Hochfahrens des Spindelantriebs und selbst während der Bearbeitung erfassen. Dies führt zu einer erheblichen Zeitersparnis. Außerdem kann das Messsystem auch zur Überwachung der Winkellage sowie der Qualität der Verzahnung während der Bearbeitung eingesetzt werden.
Innerhalb des Gehäuses 4 des Antriebs 5 ist ein Encoder 8 angeordnet, der die Lage der Spindel 3 zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelt. Die vom Encoder 8 ausgegebenen Werte und die vom Sensor erfassten Werte werden zur Korrektur der Winkellage des Werkstücks 2 relativ zum Werkzeug 6 weiter verarbeitet. Dieser Vorgang wird als Einzentrieren bezeichnet. Durch das Einzentrieren wird ein möglichst mittiger Eingriff der Eingriffsmittel des Honrings 6 in die Zahnlücken des Zahnrads 2 gewährleistet.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Honmaschine 1.
Die Honmaschine 1 weist eine Spindel 3 auf, die durch einen in einem Gehäuse 4 angeordneten Antrieb 5 in Rotation versetzt werden kann. Ein auf der Spindel 3 angeordnetes Werkstück 2 mit Vorverzahnung wird über die Spindel 3 in Rotation versetzt (Rotationsachse z).
Zur Ermittlung der relativen Winkellage der Vorverzahnung eines Zahnrads 2 und einer Spindel 3 ist ein Sensor 7 vorgesehen. Dieser kann auf einem Schlitten 9 angeordnet sein, der in einem oder mehreren Freiheitsgraden, beispielsweise entlang der angedeuteten Achsen x, y und/oder z bewegbar (Translation) und/oder um eine oder mehrere dieser rotierbar in der Honmaschine 1 angeordnet ist.
Insbesondere werden berührungslos, beispielsweise optisch, induktiv, magnetisch, kapazitativ, etc., arbeitende Sensoren 7 verwendet.
Als Sensor 7 kann beispielsweise ein digital schaltender Sensor verwendet werden. Der Sensor 7 schaltet in Abhängigkeit davon, ob sich unter dem Sensor ein Zahnkopf oder ein Zahnfuß befindet.
Alternativ dazu kann der Sensor 7 auch als analoger Sensor bereitgestellt werden. Dieser erzeugt bei der Bewegung des Zahnrades ein mehr oder weniger periodisches Signal.
Der Sensor ist, wie in der 1 dargestellt, innerhalb des Honrings 6 und/oder in einer Position angeordnet, die als Bearbeitungsposition bezeichnet wird. Die Bearbeitungsposition ist entweder eine Position, in der das Zahnrad 2 noch außer Eingriff mit dem Honring 6 steht, allerdings durch eine geringfügige translatorische Bewegung oder Verschwenkung des Honrings 6 mit diesem in Eingriff gebracht werden kann, sobald nach dem Hochlaufen und der Winkellagekorrektur (durch ein entsprechendes Steuersignal) eine mit dem Honring 6 synchronisierte Geschwindigkeit erreicht ist. Anschließend steht das Werkstück 2 in der Bearbeitungsposition in Eingriff mit dem Honring 6.
Die Synchronisation der analogen Sensorwerte mit dem Lagesignal kann beispielsweise durch eine gemeinsame Clock und/oder durch eine sehr schnell arbeitende Abtastung erreicht werden. Im Gegensatz zum digital arbeitenden System stehen pro Zahn wesentlich mehr Messwerte zur Verfügung, wodurch eine deutliche Steigerung der Präzision der Messung ermöglicht wird.
Vom Sensor 7 (analog oder digital schaltend) werden die ermittelten Messdaten an eine Lageerfassungskarte 10 übermittelt, die die Lagewerte des Zahnrads 2 aus den ermittelten Messwerten bestimmt. Im Fall eines analogen Sensors 7 kann der Lageerfassungskarte ein Analog-Digitalwandler vorgeschaltet sein.
Die Auswertung der Messdaten zur Bestimmung der relativen Lage des Werkstücks 2 und der Spindel 3 kann über verschiedene geeignete Algorithmen erfolgen, z.B. mittels Fourier-Analyse, Ermittlung von Maxima oder Minima, Flankendurchgängen, etc.
Darüber hinaus kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, die die Lagedaten auswertet und an eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung weitergibt.
Die Messung kann sowohl bei Hochlaufen der Spindel 3 als auch bei voller Umdrehung (z.B. 10000 Hz Zahneinlauffrequenz) durchgeführt werden.
Darüber hinaus wird ein schnelles Datenerfassungs- und Signalverarbeitungssystem verwendet, das Messdaten äußerst schnell und präzise erfassen kann, wie in den 3 und 4 dargestellt.
Die 3 zeigt die Auswertung der mit einem digitalen Sensor 70 erfassten Messdaten. Die digitalen Signale 71 des in einer Positioniereinheit 90 in x- und z-Richtung bewegbaren Sensors 70 werden über einen HW Triggereingang 101 in einen Interpolator 102 einer Auswerteeinheit 100 eingespeist. Die Lagegebersignale 81 eines Winkelgebers 80, der die Position der Werkzeugspindel 3 ermittelt, werden ebenfalls in den Interpolator 102 eingespeist. Außerdem werden die Lagegebersignale 81 an eine CNC/PLC-Einheit 50 weitergegeben, durch die die Werkzeugspindel 3 mittels einer Motoransteuerung 51 angetrieben wird.
Das Auslesen und Abspeichern des Geber-Istwerts aus den Signalen 71 im Interpolator 102 wird durch die Signale 81 getriggert. Die Hardware triggert somit das Auslesen des Lagesignals. Das Abspeichern der Werte kann beispielsweise ein FPGA (Field Programmable Gate Array) 103 übernehmen, welcher die Winkelwerte in ein FIFO (first in - first out) Datenpuffer ablegt, von welchem vom FPGA als auch vom Echtzeitsystem zugegriffen werden kann. Die Auswertung der Winkelwerte kann aber auch direkt im FPGA103 erfolgen, vorzugsweise aber im Echtzeitsystem, welches die Messwerte aus dem Datenpuffer abholt.
Die Signale 71 und 81 werden im Interpolator 102 interpoliert und an ein FPGA (Field Programmable Gate Array) 103 übermittelt, in dem das Winkelsignal berechnet wird. Die Messdaten werden im FIFO (first in - first out) Modus verarbeitet.
Eine Auswertung erfolgt im Echtzeit-Controller 104. Der Echtzeit-Controller 104 übernimmt auch die Kommunikation zwischen den Einheiten des Datenerfassungs- und Signalverarbeitungssystems sowie die Speicherung der Daten. Über einen Daten-Bus 105 werden Daten an die CNC/PLC-Einheit übertragen bzw. von dieser empfangen. Die Messung der Signale 71 erfolgt parallel zu dem aktiven CNC Programm. Es werden keine zusätzlichen Achsbewegungen ausgeführt. Die Messung erfolgt daher mehr oder wenig ohne Nebenzeit und ist auch bei hohen Drehzahlen möglich.
Die 4 zeigt die Auswertung der mit einem analogen Sensor 70' erfassten Messdaten. Gleiche Komponenten sind wie in der 3 bezeichnet und werden nicht erneut beschrieben.
Im Unterschied zur Ausführungsform der 3 weist das System einen analogen Sensor 70' auf, der analoge Sensorsignale 71' ausgibt. Diese werden über eine Analog I/O Einheit 101' (oder einen Analog Eingang) an ein oder mehrere FPGAs weitergegeben. Dort erfolgen eine Synchronisation mit den synchronisierten Lagegebersignalen 81 des Winkelgebers 80 sowie das Schreiben der synchronisierten Lagegeber- und Analogsensorwerte in ein FIFO Puffer. Gegebenenfalls werden die Daten auch mit einem Zeitstempel versehen. Je nach Ausführungsform der Lageerfassung wird auch die Winkelermittlung aus den Rohsignalen des Gebers oder aus den Signalen eines vorgeschalteten Interpolators (beispielsweise durch Auswertung von TTL-Signalen) in einem FPGA ausgeführt.
Die Auswertung der Messdaten, d.h. die Berechnung der Winkelposition und die sonstige Auswertung der Daten kann im FPGA erfolgen, wird aber vorteilhafterweise im Echtzeitsystem vorgenommen, da dieses mehr Flexibilität in der Programmierung ermöglicht.
In der Ansicht gemäß der 5 sind ist ein Detailausschnitt aus dem System gemäß der 4 dargestellt. Der Interpolator 102, der die Gebersignale 81 empfängt, führt eine Interpolation der Signale durch und gibt diese über einen Digital I/O 106 (oder einen Digital Eingang) an das FPGA weiter. Im Digital I/O 106 entsteht eine Zeitverzögerung von weniger als 1 µs. Diese wird im FPGA 103 durch die Synchronisation ausgeglichen.

Claims

Vorrichtung (1) zur Feinbearbeitung eines Werkstücks (2), das eine Verzahnung aufweist, umfassend: eine Spindel (3) zur Anordnung des zu bearbeitenden Werkstücks (2) an der Spindel (3); einen Antrieb (5) zur Erzeugung einer Rotation der Spindel (3); eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks (2) relativ zur Spindel (3), wobei die Messeinrichtung wenigstens einen im Bereich der Verzahnung des Werkstücks (2) angeordneten Sensor (7) zur Erfassung von Messdaten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein insbesondere zur Spindel (3) hin bewegbarer Honring (6) vorgesehen ist und der Sensor (7) derart innerhalb des Honrings (6) angeordnet ist, dass Messdaten betreffend Parameter der Verzahnung des Werkstücks (2) in einer Bearbeitungsposition des Werkstücks (2) erfassbar sind.
Vorrichtung (1) zur Feinbearbeitung eines Werkstücks (2), das eine Verzahnung aufweist, insbesondere nach Anspruch 1, umfassend: eine Spindel (3) zur Anordnung des zu bearbeitenden Werkstücks (2) an der Spindel (3); einen Antrieb (5) zur Erzeugung einer Rotation der Spindel (3); und eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks (2) relativ zur Spindel (3), wobei die Messeinrichtung wenigstens einen im Bereich der Verzahnung des Werkstücks (2) angeordneten Sensor (7) zur Erfassung von Messdaten aufweist, wobei der Sensor (7) derart innerhalb der Vorrichtung (1) angeordnet ist, dass Messdaten betreffend Parameter der Verzahnung des Werkstücks (2) in einer Bearbeitungsposition des Werkstücks (2) erfassbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung derart gesteuert ist, dass ein Auslesen der Messwerte separat und unabhängig von sonstigen Steuerungsfunktionen der Vorrichtung durch eine gemeinsame Clock und/oder durch hardwaregetriggertes Auslesen bewerkstelligt wird.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Antrieb (5) zur Erzeugung einer Rotation der Spindel (3) zum Hochfahren auf volle Bearbeitungsdrehzahl der bei der Bearbeitung benötigten Geschwindigkeit und bevorzugt zum vorherigen Hochfahren auf eine Zwischendrehzahl ausgelegt ist, und die Vorrichtung zur Erfassung der Messwerte während des Hochfahrens auf die Bearbeitungsdrehzahl, bevorzugt auf die Zwischendrehzahl, oder nach dem Hochlaufen ausgelegt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) wenigstens ein Bearbeitungswerkzeug (6) aufweist, das in der Bearbeitungsposition des Werkstücks (2) mit der Vorverzahnung des Werkstücks (2) in Eingriff steht.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung wenigstens eine Lageerfassungseinrichtung zur Ermittlung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks (2) in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) als digital schaltender Sensor ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) als analoger Sensor ausgebildet ist.
Verfahren zur Feinbearbeitung eines Werkstücks (2) oder eines Werkzeugs mit einer Vorverzahnung, insbesondere mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Anordnen des Werkstücks (2) bzw. eines Abrichtzahnrads an einer Spindel (3); b) Antreiben der Spindel (3) zur Erzeugung einer Rotation des Werkstücks (2) bzw. des Abrichtzahnrads; c) Erfassung von Messwerten in Bezug auf die Verzahnung des Werkstücks (2) bzw. des Abrichtzahnrads im Bereich der Verzahnung des rotierenden Werkstücks (2) bzw. des Abrichtzahnrads mittels wenigstens eines Sensors (7); und d) Ermittlung der Winkellage und/oder der Verzahnungsqualität der Verzahnung des Werkstücks (2) bzw. des Abrichtzahnrads relativ zur Spindel (3), wobei die Messwerte wenigstens in einem Zeitraum beim Hochlaufen, nach dem Hochlaufen der Spindel (3) im Verfahrensschritt b) oder beim Verzögern der Spindel (3) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte von einem Sensor (7) erfasst werden, während der Sensor (7) bei in Bearbeitungsposition befindlichem Werkstück (2) ebenfalls innerhalb des als Werkzeug (6) fungierenden Honrings (6) angeordnet ist.
Verfahren zur Feinbearbeitung eines Werkstücks (2) oder eines Werkzeugs mit einer Vorverzahnung, insbesondere mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Anordnen des Werkstücks (2) bzw. eines Abrichtzahnrads an einer Spindel (3); b) Antreiben der Spindel (3) zur Erzeugung einer Rotation des Werkstücks (2) bzw. des Abrichtzahnrads; c) Erfassung von Messwerten in Bezug auf die Verzahnung des Werkstücks (2) bzw. des Abrichtzahnrads im Bereich der Verzahnung des rotierenden Werkstücks (2) bzw. des Abrichtzahnrads mittels wenigstens eines Sensors (7); und d) Ermittlung der Winkellage und/oder der Verzahnungsqualität der Verzahnung des Werkstücks (2) bzw. des Abrichtzahnrads relativ zur Spindel (3), wobei die Messwerte wenigstens in einem Zeitraum beim Hochlaufen, nach dem Hochlaufen der Spindel (3) im Verfahrensschritt b) oder beim Verzögern der Spindel (3) erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auslesen der Messwerte separat und unabhängig von sonstigen Steuerungsfunktionen der Vorrichtung durch eine gemeinsame Clock und/oder durch hardwaregetriggertes Auslesen bewerkstelligt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte in einem Zeitraum beim Hochlaufen auf eine Zwischendrehzahl erfasst werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte durch den Sensor (7) als digitale Werte ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Sensor (7) ausgegebenen digitalen Messwerte als Clock-Signale für die Lageerfassungseinrichtung (10) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte durch den Sensor (7) als analoge Messwerte ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bewegung eines bestimmten Zahnes der Verzahnung des Werkstücks (2) relativ zum Sensor (7) wenigstens zwei oder mehrere Messwerte erfasst werden.