DE102010005032B4

DE102010005032B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Position einer Arbeitsfläche einer Arbeitsscheibe

Info

Publication number: DE102010005032B4
Application number: DE102010005032A
Authority: DE
Inventors: Dr. Grotkopp Ingo; Dipl.-Kfm. Habbecke Wolfgang
Original assignee: Peter Wolters GmbH
Current assignee: Lapmaster Wolters GmbH
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-01-16
Also published as: EP2523776A1; US20120293811A1; EP2523776B1; CN102695585A; WO2011085950A1; DE102010005032A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Arbeitsfläche einer Arbeitsscheibe einer Doppelseitenbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Doppelseitenschleifmaschine, wobei die Doppelseitenbearbeitungsmaschine zwei Arbeitsscheiben aufweist, die zwischen einander zugewandten Arbeitsflächen einen Arbeitsspalt zur Doppelseitenbearbeitung von flachen Werkstücken bilden, und von denen mindestens eine drehend antreibbar ist, wobei die Vorrichtung eine optische Messeinrichtung mit einer Strahlungsquelle, einer optischen Detektoreinrichtung und einer Auswerteeinrichtung umfasst, die dazu ausgebildet sind, außerhalb des Arbeitsspalts angeordnet zu werden, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung eine Strahlführungseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise in den Arbeitsspalt eingeführt zu werden, wobei die Strahlführungseinrichtung eine bei in den Arbeitsspalt eingeführter Strahlführungseinrichtung in dem Arbeitsspalt befindliche Austrittsöffnung für von der Strahlungsquelle erzeugte optische Strahlung aufweist, und wobei die Strahlführungseinrichtung die optische Strahlung ausgehend von der Strahlungsquelle zunächst im Wesentlichen parallel zu den Arbeitsflächen in den Arbeitsspalt führt, an einem Messort über mindestens eine Umlenkfläche auf eine Arbeitsfläche umlenkt, von der Arbeitsfläche reflektierte Strahlung aufnimmt und wieder aus dem Arbeitsspalt heraus zu der optischen Detektoreinrichtung führt, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand eines Detektionsergebnisses der Detektoreinrichtung die Position der Arbeitsfläche zu bestimmen, und – dass die Strahlführungseinrichtung eine mit einer Fluidversorgung verbundene Fluidzuführung aufweist, mit der zumindest ein von der optischen Strahlung nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung der Strahlführungseinrichtung im Arbeitsspalt durchlaufener Messbereich spülbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Arbeitsfläche einer Arbeitsscheibe einer Doppelseitenbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Doppelseitenschleifmaschine, wobei die Doppelseitenbearbeitungsmaschine zwei Arbeitsscheiben aufweist, die zwischen einander zugewandten Arbeitsflächen einen Arbeitsspalt zur Doppelseitenbearbeitung von flachen Werkstücken bilden, und von denen mindestens eine drehend antreibbar ist, wobei die Vorrichtung eine optische Messeinrichtung mit einer Strahlungsquelle, einer optischen Detektoreinrichtung und einer Auswerteeinrichtung umfasst, die dazu ausgebildet sind, außerhalb des Arbeitsspalts angeordnet zu werden. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Bestimmung der Position einer Arbeitsfläche einer Arbeitsscheibe einer Doppelseitenbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Doppelseitenschleifmaschine, insbesondere mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Bei Doppelseitenschleifmaschinen ist das Finden der Position der Arbeitsfläche insbesondere der unteren Arbeitsscheibe während der Nutzung der Anlage von entscheidender Bedeutung. Vorab werden durch Prozessversuche Zustellungsparameter für eine Kompensation von Verschleiß der Arbeitsscheiben ermittelt. Diese Zustellparameter geben die Anzahl der Zustellungsschritte und deren Größe und Verteilung zwischen der oberen und unteren Arbeitsscheibe wieder. Problematisch ist dabei, dass Schwankungen in den Rahmenparametern nicht berücksichtigt werden können. Derartige Schwankungen können beispielsweise im Rohteilmaß, Rohteilmaterial, der Scheibenherstellung bzw. zugehöriger Toleranzen, Zustand und Temperatur eines Kühlmittels, Zustand eines Abrichtwerkzeuges usw. bedingt sein. Selbst kleine Schwankungen solcher Rahmenparameter können auf das Zustellverhältnis erheblichen Einfluss nehmen, bleiben jedoch von einem Bediener in der Praxis oftmals unentdeckt.
Insbesondere beim sogenannten Durchlaufschleifen tritt bei Verwendung von konventionellen Schleifwerkzeugen (zum Beispiel Korundscheiben) ein vergleichsweise hoher Verschleiß auf. Diese Abnutzung muss kompensiert werden, da anderenfalls die bearbeiteten Werkstücke immer dicker werden würden. Dies geschieht durch eine kontinuierliche Nachstellung einer oder beider Arbeitsscheiben, wobei beispielsweise ein konstanter Wert pro Zeiteinheit zugestellt werden kann oder eine Nachvermessung der bearbeiteten Werkstücke den nachzustellenden Wert liefert. Problematisch ist jedoch, dass die beiden Arbeitsscheiben an einer derartigen Durchlaufdoppelseitenschleifmaschine nicht notwendigerweise in gleicher Weise verschleißen. Eine gleichmäßige Zustellung der Arbeitsscheiben führt daher zu einer schleichenden Verschiebung des Bearbeitungsspalts. Bei Doppelseitenbearbeitungsmaschinen nach dem Durchlaufverfahren werden die zu bearbeitenden Werkstücke überlicherweise mit Zu- und Abführvorrichtungen in den Schleifspalt ein- bzw. herausgeführt. Die Positionierung der Zu- und Abführvorrichtungen relativ zu dem Schleifspalt muss in einer Großenordnung von 10 μm genau erfolgen, damit die Werkstücke problemlos ein- bzw. auslaufen können. Eine Lageveränderung des Schleifspalts ist insofern problematisch und wurde bisher durch ein regelmäßiges Abrichten vermieden. Dadurch wird immer wieder eine neue Referenzfläche auf der Arbeitsscheibe geschaffen, deren Lage aus der Position des Abrichtwerkzeuges bekannt ist. Da jeder Abrichtvorgang jedoch eine vergleichsweise große Menge von Schleifscheibenvolumen vernichtet, ist diese Art der Referenzierung aufwendig und unerwünscht. Das gleiche Problem kann bei Bearbeitungsmaschinen mit Planetenkinematik auftreten, bei denen die Werkstücke in Läuferscheiben gehalten und entlang zykloidischer Bahnen in dem Arbeitsspalt bewegt werden. Bei diesem Bearbeitungsverfahren können die Werkstücke zu Beginn und am Ende der Bearbeitung automatisiert be- und entladen werden, wozu die Position der Arbeitsfläche ebenfalls genau bekannt sein muss.
In DE 24 27 709 A1 wird eine mechanische Abtastung der Arbeitsscheibenoberfläche mittels eines mit der Scheibe in Kontakt stehenden Pendelfühlers vorgeschlagen. In DE 195 37 586 A1 wird eine optische Messung zur Bestimmung von Oberflächen, Oberflächenprofilen und Volumina mittels konfokaler Abbildung vorgeschlagen, wobei über ein Lichtleitfaserbündel Strahlen auf das Objekt gesandt und von diesem reflektiert und einem Detektor zugeführt werden, der eine gleichzeitige Erfassung der reflektierten Strahlen vornimmt. Beide Messverfahren weisen jedoch die Schwäche auf, dass sie nur bei stehender Bearbeitungsmaschine dauerhaft gute Messdaten liefern. Mechanische Messtaster, wie sie aus DE 24 27 709 A1 bekannt sind, unterliegen bei Messungen an einer laufenden Bearbeitungsmaschine, insbesondere einer Schleifmaschine, regelmäßig einem erheblichen Verschleiß, wenn sie mit der Arbeitsoberfläche in Berührung kommen. Dieses Problem konnte auch durch optimierte Ausgestaltungen der Messfühler hinsichtlich Formgebung, Beschichtung oder Reduzierung der Auflagekraft nicht gelöst werden. Die bekannten optische Systeme leiden darunter, dass sich im Betrieb der Bearbeitungsmaschine in dem Messbereich zwischen Sensor und Arbeitsscheibe Bearbeitungsmedien, beispielsweise Kühlschmierstoffe sowie Abtriebpartikel befinden, wodurch die Messung beeinträchtigt oder unmöglich gemacht wird. Der Bearbeitungsprozess muss für die Messung also unterbrochen werden, was grundsätzlich unerwünscht ist.
Für die Vermessung der Umfangsfläche von rotierenden Werkzeugen wird in DE 198 13 041 A1 ein Dopplerverfahren auf Basis elektromagnetischer Strahlung vorgeschlagen, welches gegenüber Kühlschmiermittel und Partikeln unempfindlich sein soll. Allerdings kann mit diesem Verfahren lediglich eine Veränderung der Oberflächengeschwindigkeit einer Arbeitsscheibe festgestellt werden, wie sie insbesondere auftritt, wenn eine mit konstanter Drehzahl laufende Umfangsarbeitsscheibe durch Verschleiß eine Verringerung des Durchmesser erfährt. Mit dieser bekannten Vorrichtung lässt sich eine Abnutzung eines Schleifbelags an der Stirnseite einer Schleifscheibe jedoch ebenso wenig feststellen, wie eine Lageänderung eines Schleifbelags. Aus US 2008/0227371 A1 ist weiterhin eine Doppelseitenpoliervorrichtung für Wafer bekannt, mit der die Dicke des Zentrums eines Wafers messbar sein soll. Dazu weist die obere Polierscheibe ein Fenster auf, durch welches ein Laserstrahl geführt wird. Anhand eines von dem Wafer reflektierten Strahls wird die Dicke des Wafers ermittelt.
Ein besonderes Problem bei der Messung im laufenden Betrieb von Doppelseitenbearbeitungsmaschinen ist der üblicherweise sehr schmale Arbeitsspalt. So wird die Zieldicke der bearbeiteten Werkstücke durch den Abstand der beiden Arbeitsscheiben zueinander vorgegeben. Nicht selten liegt dieser Abstand in der Größenordnung weniger Millimeter. Bekannte Sensoren lassen sich aus diesem Grund nicht für eine Messung im Arbeitsspalt einsetzen.
Ausgehend von dem erläuternden Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen die Position der Arbeitsfläche einer Arbeitsscheibe zuverlässig auch bei schmalem Arbeitsspalt und im Betrieb der Bearbeitungsmaschine bestimmen lässt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art löst die Erfindung die Aufgabe dadurch, dass die optische Messeinrichtung eine Strahlführungseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise in den Arbeitsspalt eingeführt zu werden, wobei die Strahlführungseinrichtung eine bei in den Arbeitsspalt eingeführter Strahlführungseinrichtung in dem Arbeitsspalt befindliche Austrittsöffnung für von der Strahlungsquelle erzeugte optische Strahlung aufweist, und wobei die Strahlführungseinrichtung die optische Strahlung ausgehend von der Strahlungsquelle zu nächst im Wesentlichen parallel zu den Arbeitsflächen in den Arbeitsspalt führt, an einem Messort über mindestens eine Umlenkfläche auf eine Arbeitsfläche umlenkt, von der Arbeitsfläche reflektierte Strahlung aufnimmt und wieder aus dem Arbeitsspalt heraus zu der optischen Detektoreinrichtung führt, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand eines Detektionsergebnisses der Detektoreinrichtung die Position der Arbeitsfläche zu bestimmen, und dass die Strahlführungseinrichtung eine mit einer Fluidversorgung verbundene Fluidzuführung aufweist, mit der zumindest ein von der optischen Strahlung nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung der Strahlführungseinrichtung im Arbeitsspalt durchlaufener Messbereich spülbar ist.
Für ein Verfahren der eingangs genannten Art löst die Erfindung die Aufgabe durch die Schritte:

– eine Strahlführungseinrichtung wird zumindest teilweise in den Arbeitsspalt eingeführt, wobei die Strahlführungseinrichtung eine bei in den Arbeitsspalt eingeführter Strahlführungseinrichtung in dem Arbeitsspalt befindliche Austrittsöffnung für von der Strahlungsquelle erzeugte optische Strahlung aufweist,
– von einer optischen Strahlungsquelle erzeugte optische Strahlung wird durch die Strahlführungseinrichtung ausgehend von der Strahlungsquelle zunächst im Wesentlichen parallel zu den Arbeitsflächen in den Arbeitsspalt geführt, an einem Messort über mindestens eine Umlenkfläche auf eine Arbeitsfläche umgelenkt,
– von der Arbeitsfläche reflektierte Strahlung wird von der Strahlführungseinrichtung aufgenommen und wieder aus dem Arbeitsspalt heraus zu einer optischen Detektoreinrichtung geführt,
– anhand eines Detektionsergebnisses der Detektoreinrichtung wird die Position der Arbeitsfläche bestimmt, und
– zumindest während des Führen der optischen Strahlung auf die Arbeitsfläche und des Aufnehmen der von der Arbeitsfläche reflektierten Strahlung wird ein von der optischen Strahlung nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung der Strahlführungseinrichtung im Arbeitsspalt durchlaufener Messbereich gespült.

Erfindungsgemäß wird zur Bestimmung der Position der Arbeitsfläche ein Abstand, insbesondere ein vertikaler Abstand, der Arbeitsfläche relativ zu einer Referenzposition bestimmt, beispielsweise einer Referenzposition der optischen Messeinrichtung. So kann beispielsweise der Abstand der Arbeitsfläche zu einem Punkt auf der Umlenkfläche der Strahlführungseinrichtung oder einem Referenzpunkt der Detektoreinrichtung bestimmt werden, deren Orte bekannt sind. Der Erfindung liegt zum einen der Gedanke zugrunde, dass die einen größeren Bauraum beanspruchenden Komponenten der optischen Messeinrichtung außerhalb des Arbeitsspalts angeordnet werden, wobei mittels der Strahlführungseinrichtung lediglich der Messstrahl in den Arbeitsspalt geleitet und wieder aus diesem herausgeführt wird. Auf diese Weise nimmt der innerhalb des Arbeitsspalts angeordnete Teil der Vorrichtung nur einen sehr geringen Bauraum ein, so dass die Messung auch bei sehr schmalen Arbeitsspalten problemlos möglich ist. Darüber hinaus weist die Strahlführungseinrichtung eine Fluidzuführung auf, mit der der Bereich um die Austrittsöffnung der Strahlung und insbesondere zwischen der Austrittsöffnung und der Arbeitsfläche freigespült wird, so dass keine störenden Einflüsse durch Bearbeitungsmedien, beispielsweise Kühlschmiermittel, erfolgen. Über die Fluidzuführung kann ein Gas oder eine Flüssigkeit zum Spülen zugeführt werden. Beispielhaft genannt seien Stickstoff, Druckluft, Wasser, Öl etc. Die erfindungsgemäße Messung sollte vergleichsweise nahe am Rand der Arbeitsscheibe bzw. Arbeitsfläche erfolgen, da dieser Rand hinsichtlich des Verschleißes besonders kritisch ist. Die außerhalb des Arbeitsspalts befindlichen Komponenten der optischen Messeinrichtung, also insbesondere die Strahlungsquelle, die Detektoreinrichtung und die Auswerteeinrichtung, können in einem außerhalb des Arbeitsspalts bzw. des Arbeitsscheibenumfangs angeordneten Schutzgehäuse angeordnet sein, um vor Verschmutzungen bzw. Eintritt von Bearbeitungsmedien geschützt zu sein.
Als Umlenkfläche kommen zum Beispiel Umlenkspiegel oder Umlenkprismen in Frage. Die von der Arbeitsfläche reflektierte optische Strahlung kann auf demselben oder einem anderen Weg als den Weg, über den sie in den Spalt hineingeführt wurde, aus dem Spalt herausgeführt werden. Bei der Doppelseitenbearbeitungsmaschine kann es sich um eine Doppelseitenschleifmaschine handeln, insbesondere zur Planbearbeitung flacher Werkstücke. Bei Schleifmaschinen tritt ein hoher Verschleiß der Arbeitsflächen und damit ein besonderer Bedarf hinsichtlich der erfindungsgemäßen Positionsbestimmung auf. Der Arbeitsspalt kann beispielsweise eine Dicke von weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 3 mm besitzen.
Es wurde nachgewiesen, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch während eines laufenden Bearbeitungsprozesses, insbesondere Schleifprozesses, die Position der Arbeitsfläche mit einem Messfehler von weniger als 5 μm bei einem Arbeitsspalt mit einer Weite von nicht mehr als 2 mm sicher gemessen werden kann.
Um sicherzustellen, dass keine Verschmutzungen oder Bearbeitungsmedien in unerwünschter Weise in den Strahlengang eintreten können, kann die Strahlführungseinrichtung einen in die Austrittsöffnung mündenden Führungskanal zur Führung der optischen Strahlung in dem Arbeitsspalt aufweisen, wobei die mindestens eine Umlenkfläche innerhalb des Führungskanals, beispielsweise am Ende des Führungskanals, angeordnet ist. Das Fluid zum Spülen des Messbereichs kann ebenfalls durch den Kanal zugeführt und durch dieselbe Austrittsöffnung aus dem Kanal austreten, wie die optische Strahlung.
Es ist aber auch denkbar, die optische Strahlung in einer Lichtleitfaser zu führen oder den Kanal durch ein transparentes Strahlführungsmedium zu bilden, beispielsweise einen transparenten Festkörper, wie Plexiglas. In den beiden vorgenannten Fällen werden die Strahlung und das Fluid dem Messbereich getrennt zugeführt.
Bei der optischen Strahlungsquelle kann es sich in besonders praxisgemäßer Weise um eine Laserquelle handeln. Weiter kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, anhand einer Laufzeitmessung der optischen Strahlung die Position der Arbeitsfläche zu bestimmen. Durch eine Auswertung der Laufzeit der optischen Strahlung zwischen dem Zeitpunkt des Aussenden durch die optische Strahlungsquelle und dem Zeitpunkt der Detektion durch die Detektoreinrichtung kann der von der optischen Strahlung von der Strahlungsquelle bis zur Arbeitsflächenoberfläche und zurück zum Detektor zurückgelegte Weg in an sich bekannter Weise ermittelt werden. Dadurch kann die Position der Arbeitsfläche relativ zu der optischen Strahlungsquelle und/oder der Detektoreinrichtung bestimmt werden. Die optische Messeinrichtung kann aber auch eine Triangulationsmesseinrichtung sein. Auf dem Triangulationsprinzip basierende Messeinrichtungen sind an sich bekannt und kommerziell erhältlich. Neben einer Messung des Abstands der Arbeitsfläche von einem Referenzpunkt ist es auch denkbar, mittels der Triangulationsmessung eine Topographie der Arbeitsfläche zu ermitteln, indem optische Strahlung mittels einer geeigneten Optik entlang einer Linie auf die Arbeitsfläche geführt wird. Derartige Verfahren sind dem Fachmann an sich bekannt.
Bei einer Durchführung des Verfahren während der Doppelseitenbearbeitung von Werkstücken in dem Arbeitsspalt wird naturgemäß auch bei fester Positionierung der Strahlzuführungseinrichtung ein Messprofil entlang der Umfangsrichtung eines Kreises mit dem Radius des Auftreffpunktes des Strahls auf die Arbeitsfläche aufgenommen. Nach einer weiteren Ausgestaltung kann eine Verstelleinrichtung vorgesehen sein, mit der die Strahlführungseinrichtung in den Arbeitsspalt hinein und aus dem Arbeitsspalt heraus bewegbar ist. Die Verstelleinrichtung kann beispielsweise einen die Strahlführungseinrichtung haltenden Schwenkarm aufweisen, mit dem die Strahlführungseinrichtung in den Arbeitsspalt hinein und aus dem Arbeitsspalt heraus schwenkbar ist. Das Strahlführungssystem kann also verfahrbar sein, so dass es einerseits für die Messung in den Arbeitsspalt gefahren und anschließend aus dem Spalt herausgefahren werden kann. Dies ist beispielsweise bei Bearbeitungsmaschinen mit Planetenkinematik denkbar, so dass die Strahlführung synchronisiert mit einer Läuferscheibenbewegung in den Spalt oder aus diesem heraus bewegt wird. Es ist jedoch auch denkbar, mit einer derartigen Verstelleinrichtung eine Messung an unterschiedlichen Orten, bei der Ausgestaltung mit einem Schwenkarm an unterschiedlichen radialen Orten, durchzuführen. Dadurch ist ein Oberflächenprofil der Arbeitsscheibe ermittelbar. Auch denkbar ist es, die Strahlführungseinrichtung auf einer Schiene zu montieren, mit der sie in den Arbeitsspalt hinein bzw. aus diesem heraus verfahrbar ist. Ein Oberflächenprofil kann beispielsweise genutzt werden, um mittels der Auswerteeinrichtung eine durch Verschleiß bedingte Abweichung des Arbeitsflächenprofils von einem Sollprofil festzustellen.
Auf dieser Grundlage können dann weitere Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann der Bearbeitungsprozess bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenzabweichung zwischen dem gemessenen Arbeitsflächenprofil und dem Sollprofil gestoppt werden. Es kann dann auch eine Benachrichtigung an einen Bediener der Maschine erstellt werden, beispielsweise dahingehend, dass ein Abrichtprozess für die Arbeitsscheiben erforderlich ist. Es ist auch möglich, aus dem jeweils gemessenen Oberflächenprofil der Arbeitsfläche mittels der Auswerteeinrichtung automatisch einen optimalen Abrichtprozess für die Arbeitsscheiben auszuwählen und gegebenenfalls vorzuschlagen, der einen minimalen Verschleiß an dem Abrichtwerkzeug und der Arbeitsscheibe erzeugt. Insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen mit einer Planetenkinematik kann das frühzeitige Feststellen einer Veränderung des Arbeitsscheibenprofils durch eine geeignete Anpassung der Prozessparameter kompensiert werden, so dass insgesamt die Anzahl von erforderlichen Abrichtvorgängen reduziert ist. Die Anpassung der Prozessparameter kann auf Basis der Auswertedaten der Auswerteeinrichtung automatisch oder manuell ausgewählt werden.
Wie bereits erwähnt, ist das erfindungsgemäße Strahlführungssystem so flach, dass es auch in besonders enge Arbeitsspalte einführbar ist. Insbesondere kann die Strahlführungseinrichtung in einer senkrecht zur Hauptstrahlführungsrichtung verlaufenden Richtung (im Betrieb der Vorrichtung also üblicherweise in vertikaler Richtung) eine Höhe von weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 3 mm, aufweisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine zweite Strahlführungseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise in den Arbeitsspalt eingeführt zu werden, wobei die zweite Strahlführungseinrichtung eine bei in den Arbeitsspalt eingeführter zweiter Strahlführungseinrichtung in dem Arbeitsspalt befindliche Austrittsöffnung für von einer Strahlungsquelle erzeugte optische Strahlung aufweist, und wobei die zweite Strahlführungseinrichtung die optische Strahlung ausgehend von der Strahlungsquelle zunächst im Wesentlichen parallel zu den Arbeitsflächen in den Arbeitsspalt führt, an einem Messort über mindestens eine Umlenkfläche auf die jeweils andere der beiden Arbeitsflächen umlenkt, von dieser Arbeitsfläche reflektierte Strahlung aufnimmt und wieder aus dem Arbeitsspalt heraus zu einer optischen Detektoreinrichtung führt, wobei eine Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand eines Detektionsergebnisses der Detektoreinrichtung die Position dieser Arbeitsfläche zu bestimmen, und dass die zweite Strahlführungseinrichtung ebenfalls eine mit einer Fluidversorgung verbundene Fluidzuführung aufweist, mit der zumindest ein von der optischen Strahlung nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung der zweiten Strahlführungseinrichtung im Arbeitsspalt durchlaufener zweiter Messbereich spülbar ist. Es ist dabei möglich, eine zweite Strahlungsquelle, zweite Detektoreinrichtung, zweite Auswerteeinrichtung und/oder zweite Fluidzuführung für den zweiten Strahlungsweg vorzusehen. Es ist jedoch auch denkbar, eine gemeinsame Strahlungsquelle, Detektoreinrichtung, Auswerteeinrichtung und/oder Fluidzuführung für beide Strahlungswege vorzusehen. Durch eine Kombination zweier Messwege mit entsprechenden Bauteilen, sei dies in einem Gehäuse oder in zwei getrennten Gehäusen, lassen sich bei einer Doppelseitenbearbeitungsmaschine beide Arbeitsscheiben gleichzeitig vermessen. Es ist also möglich, den Arbeitsspalt selbst zu vermessen. Insbesondere bei den engen Maßtoleranzen geschliffener Werkstücken ist das Maß des Arbeitsspalts sehr genau einzuhalten. Das Arbeitsspaltmaß unterliegt in der Praxis erheblichen Störeinflüssen, beispielsweise Verschleiß der Arbeitsscheiben, thermisch bedingter Verformung von Maschinenkomponenten (Rahmen, Spindeln, etc.) oder elastischer Verformung aufgrund von Krafteinwirkung. Bei bekannten Maschinen für das Doppelseitenplanschleifen insbesondere im Durchlaufverfahren wird versucht, diese Störeinflüsse durch eine 100%-Vermessung der bearbeiteten Bauteile sowie durch Temperiereinrichtungen und eine besonders steife Auslegung des Maschinengestells zu minimieren. Mit vertretbarem Aufwand ist dies jedoch nur begrenzt möglich. Durch eine direkte Vermessung des Schleifspalts an den Arbeitsscheibenoberflächen können diese Störgrößen gemeinsam erfasst und durch eine geeignete Regelung durch die Auswerteeinrichtung kompensiert werden, indem die Arbeitsscheiben entsprechend zugestellt werden. Es ergeben sich ungleich höhere Bearbeitungsgenauigkeiten als bei den bekannten Lösungen.
Bei der Doppelseitenbearbeitungsmaschine kann es sich um eine Durchlaufbearbeitungsmaschine handeln, bei der jedes zu bearbeitende Werkstück während seines Bearbeitungsvorgangs in den Arbeitsspalt hinein und aus diesem herausgeführt werden. Derartige Durchlaufbearbeitungsmaschinen (auch Double Disc Grinding (DDG) Maschinen) erfordern wegen der großen Anzahl von in den Arbeitsspalt eintretenden Werkstücken eine genaue Verschleißerkennung der Arbeitsflächen und damit einer unzulässigen Spaltveränderung. Anderenfalls kann es zu ungenauer Einführung der Werkstücke in den Arbeitsspalt und damit zu Bearbeitungsfehlern kommen. Insbesondere bei Durchlaufbearbeitungsmaschinen ist eine Messung der Position der Arbeitsfläche auch während der Werkstückbearbeitung möglich.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Doppelseitenbearbeitungsmaschine nach dem Prinzip der Planetenkinematik arbeitet, in dem Arbeitsspalt also mindestens eine Läuferscheibe angeordnet ist, die in Ausnehmungen zu bearbeitende Werkstücke aufnimmt und mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzbar ist, wodurch die mindestens eine Läuferscheibe und damit die in ihr aufgenommenen Werkstücke sich entlang zykloidischer Bahnen in dem Arbeitsspalt bewegen. Hier liegt der Vorteil darin, dass insbesondere bei einer Verstellbarkeit der Strahlführungseinrichtung auch die Scheibenform, insbesondere eine Scheibentopographie, vermessen werden kann. Bei der Abstimmung von Maschinen mit Planetenkinematik kann dies von entscheidender Bedeutung sein.
Die Doppelseitenbearbeitungsmaschine kann nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung eine Regeleinrichtung umfassen, die auf Grundlage der von der Auswerteeinrichtung bestimmten Position der Arbeitsfläche die Position der Arbeitsfläche und/oder die Weite des Arbeitsspalts auf einen konstanten Wert regelt. Dazu kann eine Arbeitsscheibensteuereinrichtung vorgesehen sein, die dazu ausgebildet ist, zumindest die die durch die optische Strahlung vermessene Arbeitsfläche aufweisende Arbeitsscheibe in ihrer insbesondere vertikalen Position zu verstellen. Beispielsweise aufgrund von Verschleiß kann die Dicke des Arbeitsbelages der vermessenen Arbeitsscheibe abnehmen. In diesem Fall kann durch die Regeleinrichtung die Arbeitsscheibensteuereinrichtung so angesteuert werden, dass diese die betreffende Arbeitsscheibe wieder in eine Position nachstellt, in der die Arbeitsfläche wieder ihre vorgegebene Sollposition und/oder der Arbeitsspalt wieder seine vorgegebene Sollweite einnimmt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Seitenansicht,
2 einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung aus 1 in einer Schnittansicht,
3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung aus 1,
4 eine Ansicht entsprechend der Ansicht aus 3, wobei die obere Arbeitsscheibe nicht dargestellt ist,
5 eine teilweise perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend dem Ausschnitt A aus 2,
7 einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend dem Ausschnitt B aus 4, und
8 ein Diagramm mit einem nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgezeichneten Messsignal.
Soweit nichts anderen angegeben ist, bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände. In den 1 bis 7 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Bestimmung der Position der Arbeitsfläche einer Arbeitsscheibe einer Doppelseitenschleifmaschine gezeigt. Von der Doppelseitenschleifmaschine sind in den Figuren aus Gründen der Einfachheit nur die obere Arbeitsscheibe 12 und die untere Arbeitsscheibe 14 gezeigt. Mindestens eine der zylindrischen Arbeitsscheiben 12, 14 ist in an sich bekannter Weise über einen geeigneten Antrieb um eine vertikale Drehachse rotierend antreibbar. Die obere Arbeitsscheibe 12 weist eine insbesondere in der vergrößerten Darstellung in 6 zu erkennende obere Arbeitsfläche 16 auf. Die untere Arbeitsscheibe 14 besitzt eine der Arbeitsfläche 16 der oberen Arbeitsscheibe 12 zugewandte untere Arbeitsfläche 18. Zwischen den Arbeitsflächen 16, 18 begrenzen die Arbeitsscheiben 12, 14 einen Arbeitsspalt 20. In dem gezeigten Beispiel sind die Arbeitsscheiben 12, 14 Teil einer Doppelseitenschleifmaschine nach dem Durchlaufverfahren, bei dem die zu bearbeitenden Werkstücke mittels einer nicht näher dargestellten Zuführeinrichtung während eines Bearbeitungsprozesses in den Arbeitsspalt ein- und herausgeführt werden. Dies ist an sich bekannt und soll nicht näher erläutert werden. Es wäre selbstverständlich ebenfalls denkbar, dass es sich bei der Doppelseitenschleifmaschine um eine Doppelseitenschleifmaschine mit Planetenkinematik handelt, bei der die zu bearbeitenden Werkstücke sich in im Arbeitsspalt angeordneten Läuferscheiben befinden und gemeinsam mit den Läuferscheiben entlang zykloidischer Bahnen in dem Arbeitsspalt bewegt werden.
In dem dargestellten Beispiel weist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 eine optische Messeinrichtung 24 auf, welche in einem Schutzgehäuse 22 außerhalb des Arbeitsspalts 20 angeordnet ist. In dem gezeigten Beispiel handelt es sich um einen an sich bekannten Triangulationssensor, umfassend eine Laserquelle, eine optische Detektoreinrichtung und eine Auswerteeinrichtung. Während das Schutzgehäuse 22 außerhalb des Arbeitsspalts 20 angeordnet ist, ist eine in der Draufsicht etwa halbovalförmige Strahlführungseinrichtung 26 in den Arbeitsspalt 20 eingeführt. Die Strahlführungseinrichtung 26 weist einen Kanal 28 auf, an dessen dem Gehäuse 22 abgewandten Ende in dem Arbeitsspalt eine insbesondere in 6 zu erkennende und gegenüber der vertikalen um 45° geneigte Umlenkfläche 30 für optische Strahlung, gebildet beispielsweise durch einen Umlenkspiegel oder ein Umlenkprisma, vorgesehen ist. Im Bereich der Umlenkfläche 30 weist der Kanal 28 eine zur unteren Arbeitsfläche 18 hin geöffnete Austrittsöffnung 32 auf. Im Betrieb wird von der Laserquelle ausgesandte Laserstrahlung 34 durch eine Öffnung 36 des Gehäuses 22 in den Kanal 28 und damit parallel zu den Arbeitsflächen 16, 18 in dem Arbeitsspalt 20 und zu der Umlenkfläche 30 geführt. Von der Umlenkfläche 30 wird die Strahlung 34 um 90° nach unten auf die untere Arbeitsfläche 18 umgelenkt. Die Strahlung 34 wird von der unteren Arbeitsfläche 18 reflektiert und gelangt zurück zu der Umlenkfläche 30, die diese wiederum um 90° umlenkt in eine Richtung parallel zu den Arbeitsflächen 16, 18 und aus dem Arbeitsspalt heraus. Nach Durchlaufen des Kanals 28 gelangt die Strahlung wieder durch die Öffnung 36 zurück in das Gehäuse 22 und zu der optischen Detektoreinrichtung. Die Auswerteeinrichtung bestimmt die Position der unteren Arbeitsfläche 18 relativ zu einer Referenzposition der in dem Gehäuse 22 angeordneten optischen Messeinrichtung 24 nach dem Triangulationsprinzip.
In 7 ist weiterhin zu erkennen, dass die Strahlführungseinrichtung 26 eine mit einer nicht näher dargestellten Fluidversorgung verbundene Fluidzuführung 38 aufweist. In dem dargestellten Beispiel wird von der Fluidzuführung 38 dem Kanal 28 Druckluft über einen Zuführkanal 40 zugeführt, so dass die Druckluft auch den Kanal 28 durchströmt und durch die Austrittsöffnung 32 auf die untere Arbeitsfläche 18 trifft. Auf diese Weise werden der Kanal 28 und insbesondere die Austrittsöffnung 32 sowie der Messbereich zwischen der Austrittsöffnung 32 und dem Auftreffpunkt der optischen Strahlung 34 auf der unteren Arbeitsfläche 18 gespült. Es kommt also nicht zu Verfälschungen der Messung aufgrund von Bearbeitungsmedien oder anderen Verunreinigungen, wie abgeriebenen Partikeln.
Das Gehäuse 22 und mit ihr die Strahlführungseinrichtung 26 können um eine vertikale Achse aus der in den Figuren gezeigten Betriebsposition aus dem Arbeitsspalt 20 herausgeschwenkt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Vorrichtung nur für einen Messvorgang in den Arbeitsspalt 20 einzubringen. Es ist jedoch auch möglich, durch Schwenken der Strahlführungseinrichtung während eines Messvorgangs ein Oberflächenprofil der unteren Arbeitsfläche 18 aufzunehmen. Obgleich dies in den Figuren nicht dargestellt ist, kann darüber hinaus eine zweite Strahlführungseinrichtung vorgesehen sein, die optische Strahlung in analoger Weise, wie dies in den Figuren dargestellt ist, auf die obere Arbeitsfläche 16 leitet, um auch deren Position zu bestimmen. Der Aufbau und die Funktion der zweiten Strahlführungseinrichtung kann identisch zu der in den Figuren gezeigten Strahlführungseinrichtung 26 sein. Es ist möglich, für die zweite Strahlführungseinrichtung ebenfalls die Komponenten der optischen Messeinrichtung 24 zu nutzen. Es ist jedoch auch möglich, diese Komponenten für die zweite Strahlführungseinrichtung separat vorzusehen. Auf Grundlage der Vermessung beider Arbeitsflächen 16, 18 ist mit der Auswerteeinrichtung eine direkte Messung der Dicke des Arbeitsspalts 20 möglich.
In 8 ist ein zeitlicher Verlauf einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten Position der unteren Arbeitsfläche 18 relativ zu einer Referenzposition dargestellt, wobei die untere Arbeitsfläche 18 etwa in den Zeiträumen 150 s bis 180 s und 275 s bis etwa 320 s um ca. 10 μm nach unten verstellt wurde. Die Daten wurden auf einer Maschine des Typs DDG600 der Anmelderin mit einer konventionellen Schleifscheibe vorgenommen. Wie aus 8 weiter zu erkennen ist, ist die erfindungsgemäße Messung mit einer Messtoleranz von wenigen Mikrometern genau möglich.

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Position einer Arbeitsfläche einer Arbeitsscheibe einer Doppelseitenbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Doppelseitenschleifmaschine, wobei die Doppelseitenbearbeitungsmaschine zwei Arbeitsscheiben (12, 14) aufweist, die zwischen einander zugewandten Arbeitsflächen (16, 18) einen Arbeitsspalt (20) zur Doppelseitenbearbeitung von flachen Werkstücken bilden, und von denen mindestens eine drehend antreibbar ist, wobei die Vorrichtung eine optische Messeinrichtung (24) mit einer Strahlungsquelle, einer optischen Detektoreinrichtung und einer Auswerteeinrichtung umfasst, die dazu ausgebildet sind, außerhalb des Arbeitsspalts (20) angeordnet zu werden, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung eine Strahlführungseinrichtung (26) aufweist, die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise in den Arbeitsspalt (20) eingeführt zu werden, wobei die Strahlführungseinrichtung (26) eine bei in den Arbeitsspalt (20) eingeführter Strahlführungseinrichtung (26) in dem Arbeitsspalt (20) befindliche Austrittsöffnung (32) für von der Strahlungsquelle erzeugte optische Strahlung (34) aufweist, und wobei die Strahlführungseinrichtung (26) die optische Strahlung (34) ausgehend von der Strahlungsquelle zunächst parallel zu den Arbeitsflächen (16, 18) in den Arbeitsspalt (20) führt, an einem Messort über mindestens eine Umlenkfläche (30) auf eine Arbeitsfläche (16, 18) umlenkt, von der Arbeitsfläche (16, 18) reflektierte Strahlung aufnimmt und wieder aus dem Arbeitsspalt (20) heraus zu der optischen Detektoreinrichtung führt, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand eines Detektionsergebnisses der Detektoreinrichtung die Position der Arbeitsfläche (16, 18) zu bestimmen, und – dass die Strahlführungseinrichtung (26) eine mit einer Fluidversorgung verbundene Fluidzuführung (38) aufweist, mit der zumindest ein von der optischen Strahlung (34) nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung (32) der Strahlfühungseinrichtung (26) im Arbeitsspalt (20) durchlaufener Messbereich spülbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungseinrichtung (26) einen in die Austrittsöffnung (32) mündenden Führungskanal (28) zur Führung der optischen Strahlung (34) in dem Arbeitsspalt (20) aufweist, wobei die mindestens eine Umlenkfläche (30) innerhalb des Führungskanals (28) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Strahlungsquelle eine Laserquelle ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messeinrichtung (24) eine Triangulationsmesseinrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstelleinrichtung vorgesehen ist, mit der die Strahlführungseinrichtung (26) in den Arbeitsspalt (20) hinein und aus dem Arbeitsspalt (20) heraus bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung einen die Strahlführungseinrichtung (26) haltenden Schwenkarm aufweist, mit dem die Strahlführungseinrichtung (26) in den Arbeitsspalt (20) hinein und aus dem Arbeitsspalt (20) heraus schwenkbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlführungseinrichtung (26) eine Höhe von weniger als 5 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, – dass die Vorrichtung (10) eine zweite Strahlführungseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise in den Arbeitsspalt (20) eingeführt zu werden, wobei die zweite Strahlführungseinrichtung eine bei in den Arbeitsspalt (20) eingeführter zweiter Strahlführungseinrichtung in dem Arbeitsspalt (20) befindliche Austrittsöffnung (32) für von einer Strahlungsquelle erzeugte optische Strahlung aufweist, und wobei die zweite Strahlführungseinrichtung die optische Strahlung (34) ausgehend von der Strahlungsquelle zunächst parallel zu den Arbeitsflächen (16, 18) in den Arbeitsspalt (20) führt, an einem Messort über mindestens eine Umlenkfläche auf die jeweils andere der beiden Arbeitsflächen (16, 18) umlenkt, von dieser Arbeitsfläche (16, 18) reflektierte Strahlung aufnimmt und wieder aus dem Arbeitsspalt (20) heraus zu einer optischen Detektoreinrichtung führt, wobei eine Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand eines Detektionsergebnisses der Detektoreinrichtung die Position dieser Arbeitsfläche (16, 18) zu bestimmen, und – dass die zweite Strahlführungseinrichtung ebenfalls eine mit einer Fluidversorgung verbundene Fluidzuführung aufweist, mit der zumindest ein von der optischen Strahlung (34) nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung (32) der zweiten Strahlführungseinrichtung im Arbeitsspalt (20) durchlaufener zweiter Messbereich spülbar ist.
Doppelseitenbearbeitungsmaschine, insbesondere Doppelseitenschleifmaschine, umfassend eine Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Doppelseitenbearbeitungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Durchlaufbearbeitungsmaschine handelt, bei der die zu bearbeitenden Werkstücke während ihres Bearbeitungsvorgangs in den Arbeitsspalt (20) hinein und aus diesem heraus geführt werden.
Doppelseitenbearbeitungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Arbeitsspalt (20) mindestens eine Läuferscheibe angeordnet ist, die in Ausnehmungen zu bearbeitende Werkstücke aufnimmt und mittels einer Abwälzvorrichtung in Rotation versetzbar ist, wodurch die mindestens eine Läuferscheibe und damit die in ihr aufgenommenen Werkstücke sich entlang zykloidischer Bahnen in dem Arbeitsspalt (20) bewegen.
Doppelseitenbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Regeleinrichtung umfasst, die auf Grundlage der von der Auswerteeinrichtung bestimmten Position der Arbeitsfläche (16, 18) die Position der Arbeitsfläche (16, 18) und/oder die Weite des Arbeitsspalts (20) auf einen konstanten Wert regelt.
Verfahren zur Bestimmung der Position einer Arbeitsfläche einer Arbeitsscheibe einer Doppelseitenbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Doppelseitenschleifmaschine, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Schritte: – eine Strahlführungseinrichtung (26) wird zumindest teilweise in den Arbeitsspalt (20) eingeführt, wobei die Strahlführungseinrichtung (26) eine bei in den Arbeitsspalt (20) eingeführter Strahlführungseinrichtung (26) in dem Arbeitsspalt (20) befindliche Austrittsöffnung (32) für von der Strahlungsquelle erzeugte optische Strahlung (34) aufweist, – von einer optischen Strahlungsquelle erzeugte optische Strahlung wird durch die Strahlführungseinrichtung (26) ausgehend von der Strahlungsquelle zunächst parallel zu den Arbeitsflächen (16, 18) in den Arbeitsspalt (20) geführt, an einem Messort über mindestens eine Umlenkfläche (30) auf eine Arbeitsfläche (20) umgelenkt, – von der Arbeitsfläche (20) reflektierte Strahlung (34) wird von der Strahlführungseinrichtung (26) aufgenommen und wieder aus dem Arbeitsspalt (20) heraus zu einer optischen Detektoreinrichtung geführt, – anhand eines Detektionsergebnisses der Detektoreinrichtung wird die Position der Arbeitsfläche (16, 18) bestimmt, und – zumindest während des Führens der optischen Strahlung (34) auf die Arbeitsfläche (16, 18) und des Aufnehmen der von der Arbeitsfläche (16, 18) reflektierten Strahlung (34) wird ein von der optischen Strahlung (34) nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung (32) der Strahlführungseinrichtung (26) im Arbeitsspalt (20) durchlaufener Messbereich gespült.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es während der Doppelseitenbearbeitung von Werkstücken in dem Arbeitsspalt (20) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der von der Auswerteeinrichtung bestimmten Position der Arbeitsfläche (16, 18) die Position der Arbeitsfläche (16, 18) und/oder die Dicke des Arbeitsspalts (20) auf einen konstanten Wert geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es in einer Doppelseitenbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12 durchgeführt wird.