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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Vorrichtung zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks nach dem Oberbegriff von Anspruch 14, sowie ein Messsystem, welches im Rahmen des Verfahrens und der Vorrichtung einsetzbar ist.
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Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die messungsunterstützte Feinbearbeitung von Bohrungen durch Innenhonen oder die messungsunterstützte Feinbearbeitung von weitgehend rotationssymmetrisch gekrümmten Außenflächen von Werkstücken durch Bandfinishen bzw. Superfinishen oder Außenhonen, wobei im Zusammenhang mit der Feinbearbeitung eine Messung zur Bestimmung der Makroform und/oder Oberflächenstruktur der Werkstückoberfläche durchgeführt wird.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem vielschneidige Honwerkzeuge eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführen, die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der bearbeiteten Innenfläche mit überkreuzten Bearbeitungsspuren führt. Durch Honen sind endbearbeitete Oberflächen herstellbar, die extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen. Dementsprechend werden beispielsweise beim Motorenbau Zylinderlaufflächen, d. h. Innenflächen von Zylinderbohrungen in einem Motorblock oder in einer in einen Motorblock einzubauenden Zylinderhülse, und Lagerflächen für Wellen einer Honbearbeitung unterzogen. Bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen werden typischerweise mehrere unterschiedliche, aufeinander folgende Honoperationen durchgeführt, beispielsweise ein Vorhonen zur Erzeugung der gewünschten Makroform der Bohrung und ein Fertighonen, mit dem die am fertigen Werkstück benötigte Oberflächenstruktur erzeugt wird. Durch Messschritte kann der Bearbeitungserfolg überprüft werden.
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Für die Feinbearbeitung rotationssymmetrisch gekrümmter Werkstückaußenflächen wird häufig das sogenannte Superfinishen oder Bandfinishen eingesetzt, bei dem bandförmiges Schleifmittel mit Hilfe geeignet geformter Andrückeinrichtungen an die zu bearbeitende Außenkontur gepresst wird. Durch kurzhubig oszillierende Axialbewegung des Schleifmittels in axialer Richtung in Verbindung mit einer Rotation des bearbeiteten Werkstückabschnittes um seine Achse wird die für den Materialabtrag erforderliche Bearbeitungsbewegung erzeugt. Gekrümmte Werkstückaußenflächen, beispielsweise an Kolbenstangen oder dergleichen, können auch durch Außenhonen bearbeitet werden. Auch bei gekrümmten Werkstückaußenflächen ist es häufig gewünscht, den Bearbeitungserfolg messtechnisch zu erfassen.
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Beim Honen sind in der Regel sehr enge Toleranzvorgaben hinsichtlich der Makroform und der z. B. durch den Bohrungsdurchmesser quantifizierten Größe der Bohrung einzuhalten. Man setzt daher nach Möglichkeit integrierte Inprozess-Messsysteme ein, welche während des Honprozesses sowie nach einzelnen Honstufen den aktuellen Durchmesser der Bohrung (Ist-Durchmesser) ermitteln können. Dieser Wert kann dann zur Regelung des Honprozesses verwendet werden, z. B. im Rahmen einer Abschaltregelung.
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Es sind auch Honvorrichtungen mit einer der Bearbeitungsstation nachgeschalteten Postprozess-Messstation bekannt. In einer Postprozess-Messstation kann der Bohrungsdurchmesser an mehreren Stellen in der Bohrung ermittelt und die so erhaltenen Informationen können miteinander verknüpft werden. So lässt sich neben der Durchmesserinformation auch Aufschluss über die Makroform der erzeugten Bohrung gewinnen. Postprozess-Messstationen dienen häufig primär zur Qualitätskontrolle, d. h. zur Unterscheidung in Gutteile und Schlechtteile. Es ist auch möglich, eine Postprozess-Messstation in den Regelkreis einer Honanlage einzubinden und die Messergebnisse zur Regelung vorgeschalteter Honstufen zu verwenden. Die
DE 38 27 892 C2 zeigt eine Honvorrichtung mit Nachmessstation, bei der die Messergebnisse zur Regelung der radialen Zustellung der Honsteine bei einem Honwerkzeug mit großem radialen Verstellweg genutzt werden.
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Die beschriebenen Messungen werden heutzutage üblicherweise mit pneumatischen Messsystemen durchgeführt, die nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip arbeiten. Bei diesen auch als „Luftmesssystem” bezeichneten Systemen strömt Druckluft aus Messdüsen in Richtung Bohrungswandung. Die Messdüsen sind im Falle von Inprozess-Messungen in das Honwerkzeug integriert, im Falle von Postprozess-Messungen können sie in einem speziellen Messdorn angebracht sein. Der sich ergebende Staudruck im Bereich der Messdüsen dient als Maß für den Abstand der Messdüse zur Bohrungswandung. Ein mit der Messdüse über eine Druckleitung verbundener Messwandler sorgt für eine Umwandlung des (pneumatischen) Drucksignals in ein elektrisch weiterverarbeitbares Spannungssignal. Mittels zweier diametral gegenüberliegender Messdüsen kann der Bohrungsdurchmesser ermittelt werden.
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Pneumatische Messeinrichtungen ermöglichen ein berührungsloses, vom Werkstoff des Messobjekts unabhängiges Messen und im Rahmen ihres Messbereichs hohe Messgenauigkeiten in der Größenordnung weniger Mikrometer. Allerdings ist der Messbereich relativ beschränkt. Um aussagekräftige Messwerte aufnehmen zu können, müssen die Luftmessdüsen in einen gewissen, relativ eng begrenzten Abstandsbereich (typischerweise wenige 100 μm, z. B. ca. 200 μm) von der Bohrungswandung angeordnet sein. Die Breite des dann nutzbaren, linearen Messbereichs liegt typischerweise zwischen 100 μm und 200 μm. Die Wiederholgenauigkeit der aufgenommenen Messwerte liegt bei statischen Messungen (nicht-rotierendes Messwerkzeug) bei weniger als 1 μm. Da das pneumatische Messsystem eine gewisse Zeit zur Einstellung eines Druckgleichgewichtes im Messsystem benötigt, ist die Messdynamik begrenzt und es können in der Regel nur maximal 10 bis 20 Messwerte pro Sekunde ermittelt werden. Außerdem liegt zwischen der Luftmessdüse und dem Messwandler, der das Drucksignal in ein maschinenverarbeitbares elektrisches Signal umsetzt, eine Kette potentieller Störeinflüsse, die die Genauigkeit der Messung negativ beeinflussen können.
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In der Dissertationsschrift ”Inprozess-Geometriemessung beim Honen” von P. Uebelhör, in: Forschungsberichte aus dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Universität Karlsruhe (Hrsg. Prof. Dr.-Ing. H. Weule), Band 56 (1994), wurden andere berührungslos arbeitende Wegmesssysteme auf ihre Verwendbarkeit zur Inprozess-Geometriemessung beim Honen untersucht. Hierzu wurden Versuche mit einem Wirbelstrommesssystem und einem kapazitiven Messsystem durchgeführt.
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Bei Feinbearbeitungsvorrichtungen zur Bearbeitung zylindrisch gekrümmter Werkstückaußenflächen werden taktile Messsysteme eingesetzt. Die
DE 199 25 077 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Bandfinishen von gekrümmten Werkstückoberflächen, bei der das Schleifband mittels zweier Bearbeitungsschuhe auf die Oberfläche des Werkstücks aufgepresst wird. Gleichzeitig wird die zu bearbeitende Oberfläche mittels einer Inprozess-Messeinrichtung vermessen. Die beschriebene Inprozess-Messeinrichtung misst den Durchmesser des Werkstückes, indem zwei taktile Messspitzen auf der Oberfläche des Werkstücks an einander gegenüberfliegenden Stellen aufsitzen. Alternativen hierzu, nämlich eine optische, pneumatische oder hydraulische Messeinrichtung, sind zwar erwähnt, aber nicht im Detail beschrieben.
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Das Patent
US 3 605 909 A beschreibt eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines nahe der Werkzeugmaschine angeordneten Werkstücks. Die Werkzeugmaschine hat einen Werkzeugträger, der ein Werkzeug zur Bearbeitung des Werkzeuges trägt, sowie Einrichtungen zur Positionierung des Werkzeugträgers in einer bestimmten Position relativ zum Werkstück. Dem Werkzeugträger ist ein Oberflächensensor zugeordnet, um die Werkstückoberfläche zu erfassen, wenn sich das Werkzeug in der Nähe der Werkstückoberfläche befindet, und bei Erfassung der Oberfläche ein Signal zu erzeugen, sowie Einrichtungen zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, um das Werkzeug für die Bearbeitung in die Nähe der Oberfläche zu bringen. Bei einer Ausführungsform umfasst der Oberflächensensor einen am Werkzeugkopf montierten Radarsensor, der als Entfernungsmesssystem dazu dient, den Abstand zwischen Werkzeugkopf und Werkstückoberfläche zu bestimmen. Die Signale werden zu einer Steuereinrichtung übertragen, die die Annäherung des Werkzeugs an das Werkstück vor dem Beginn eines automatischen Bearbeitungsprogramms steuert.
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Die
DE 101 19 669 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen und/oder Erkennen von Prüfobjekten, insbesondere solche mit Gewinde, mit Hilfe eines miniaturisierten Radarsensors.
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Die
DE 10 2009 005 745 B4 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung der Lage eines Werkzeugs oder Maschinenelements, welches ein Radarsystem aufweist. Aus Signalen des Radarsystems wird ein Maß für die Lage eines Werkzeugs oder Maschinenelementes in Bezug auf eine Arbeitsspindel oder Werkzeugspannvorrichtung ermittelt.
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Die
DE 40 20 551 A1 beschreibt eine Werkzeugüberwachung, die aus einem zu überprüfenden Teil und einem Prüfgerät besteht. Hierbei wird ein Spindelkopf mit Prüfling nach Aufnahme eines Werkzeuges in Rotation versetzt und in die Antennenkeule eines Millimeterwellen-Radars gebracht. Das Radar tastet die spezifisch relevanten Teile des Werkzeugs ab und stellt fest, ob das Werkzeug vorhanden, der Werkzeugtyp richtig und das Werkzeug in Ordnung ist.
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Die
WO 03/027709 A1 beschreibt einen Nahbereichs-Radarsensor mit Phasendifferenz-Messung.
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Die
DE 198 13 041 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung rotierender Gegenstände, insbesondere von Werkzeugen wie Schleifscheiben, Bohrern, Fräsen, Sägen etc. oder von Werkstücken wie Drehteilen etc. oder Maschinenteilen, wie drehende Wellen oder dergleichen. Die Vorrichtung umfasst einen Sender und einen Empfänger zum Senden bzw. Empfangen elektromagnetischer Strahlung sowie eine Auswerteeinheit, die in der Lage ist, Frequenzdifferenzen zwischen einem Sendesignal und einem zugehörigen Empfangssignal zu detektieren. Die Frequenzen werden vorzugsweise im Radarwellen- bzw. Mikrowellenbereich gewählt.
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Die
DE 10 2007 045 381 A1 beschreibt ein System zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei roboterunterstützten Produktions- und Fertigungsprozessen, welches mindestens einen Radarsensor aufweist.
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AUFGABE UND LÖSUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur messunterstützten Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen sowie ein im Rahmen des Verfahrens und der Vorrichtung verwendbares Messsystem bereitzustellen, die sich durch hohe Messdynamik und hohe Messgenauigkeit auszeichnen. Es soll eine Integration des Messsystems in ein Feinbearbeitungswerkzeug zur Durchführung von Inprozess-Messungen mit geringem konstruktiven Aufwand möglich sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Messsystem mit den Merkmalen von Anspruch 11 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 14 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Messung der Werkstückoberfläche findet im Zusammenhang mit einer Feinbearbeitung der Werkstückoberfläche statt, bei der Material vom Werkstück z. B. durch Zerspanung abgetragen wird. Die Messung kann zeitlich vor der Feinbearbeitung, während der Feinbearbeitung und/oder nach der Feinbearbeitung durchgeführt werden. Bei der Messung wird an mindestens einer Messstelle Radarstrahlung auf die Werkstückoberfläche gerichtet und die von der Werkstückoberfläche reflektierte Radarstrahlung wird erfasst und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet. Es wird also zur Messung der Werkstückoberfläche mindestens eine Radarsensoranordnung mit mindestens einem Radarsensor verwendet.
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Gemäß der beanspruchten Erfindung wird die Werkstückoberfläche dabei mit Hilfe mindestens eines an einem Feinbearbeitungswerkzeug angebrachten Radarsensors vermessen. Das Feinbearbeitungswerkzeug dient somit als Sensorträger für den Radarsensor, so dass die zugehörigen Manipulatoren für das Feinbearbeitungswerkzeug, beispielsweise die zum Tragen des Honwerkzeugs genutzte Honspindel oder ein Bearbeitungsarm einer Finishmaschine, und deren Steuerung dazu genutzt werden können, den Radarsensor in die Messposition in der Nähe der Werkstückoberfläche zu bringen, ggf. den Radarsensor relativ zur Werkstückoberfläche zu bewegen und nach Abschluss der Messung den Radarsensor wieder aus der Messposition herauszubewegen. Dadurch kann erheblicher konstruktiver Aufwand für eine gesonderte Messstation eingespart werden.
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Der Begriff „Radarstrahlung” bezeichnet im Rahmen dieser Anmeldung technisch erzeugte elektromagnetische Wellen aus einem für die Radartechnik nutzbaren Frequenzbereich zwischen ca. 30 MHz und 300 GHz und typischen Wellenlängen aus dem Bereich zwischen ca. 1 mm und ca. 10 m. In diesem Frequenzbereich liegen insbesondere die Mikrowellen mit typischen Wellenlängen zwischen 1 mm und 1 m, was einem Frequenzbereich von etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz entspricht.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen liegen die Frequenzen der Radarstrahlung in einem Bereich zwischen 20 GHz und 100 GHz, was typischen Wellenlängen im Bereich zwischen ca. 3 mm und 15 mm entspricht. Wellenlängen im Bereich einiger Millimeter liegen in der oder nur wenig oberhalb der Größenordnung typischer für die Messaufgabe angestrebter Messbereiche. Dadurch können insbesondere Abstandsmessungen mittels Auswertung von Phasenverschiebungen mit hoher Präzision bei gleichzeitig relativ geringem Auswertungsaufwand durchgeführt werden.
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Es hat sich herausgestellt, dass Radarstrahlung, die herkömmlich vor allem zur Messung großer Entfernungen und zur Messung von Winkeln bzw. Richtungen zwischen einem Sender und einem weit entfernten Objekt genutzt wurde, für prozessnahe Messungen im Bereich der materialabtragenden Feinbearbeitung mit großem Vorteil genutzt werden kann. Der Begriff „Radarsensor” bezeichnet in diesem Zusammenhang eine elektrische betriebene technische Einrichtung, die mittels einer Sendeeinheit Radarstrahlung gebündelt als Primärsignal aussendet und das von der Werkstückoberfläche reflektierte Echo als Sekundärsignal mit Hilfe eines Empfangseinheit empfängt und für eine Auswertung aufbereitet. Es wird dabei nach Art von Primärradargeräten ausschließlich das passiv von der Werkstückoberfläche reflektierte Signal ausgewertet. Zur Umwandlung elektrischer Ausgangssignale in elektromagnetische Wellen des Primärsignals sowie zur Umwandlung der elektromagnetischen Wellen des Sekundärsignals in auswertbare elektrische Signale kann bei einem Radarsensor die gleiche Einrichtung, z. B. eine Sende/Empfangsantenne, genutzt werden.
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Bei der Messung werden an die Eigenschaften des die Werkstückoberfläche bildenden Werkstückes keine besonderen Anforderungen gestellt. Das Material der Werkstückoberfläche kann elektrisch leitend oder nicht leitend sein, so dass insbesondere alle metallischen und keramischen Werkstoffe, aber auch auch Kunststoffe, gemessen werden können. Die Technik funktioniert berührungslos, so dass die bearbeitete Werkstückoberfläche durch die Messung nicht beeinträchtigt, z. B. verkratzt oder verschmutzt wird. Die Verwendung von Radarstrahlung ermöglicht hohe absolute Messgenauigkeiten im Bereich von Bruchteilen von Mikrometern, wobei gleichzeitig der nutzbare Messbereich im Vergleich dazu sehr groß sein und beispielsweise im Bereich von einem oder mehreren Millimetern liegen kann. Weiterhin können die Sensorabmessungen bei Radarsensoren relativ gering sein, so dass Radarsensoren ggf. für Inprozess-Messungen in ein Feinbearbeitungswerkzeug mit vertretbarem konstruktiven Aufwand unter voller Beibehaltung der Funktionalität des Feinbearbeitungswerkzeuges integriert werden können. Zudem erlaubt eine im Vergleich zum Luftmessen erheblich höhere Messdynamik (höhere Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit) neue, für die Feinbearbeitung sehr nützliche Messmöglichkeiten.
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Im Hinblick darauf, dass die meisten materialabtragenden Feinbearbeitungsprozesse unter Verwendung von flüssigen Fertigungshilfsstoffen, wie Honöl oder anderen Kühlschmierstoffen, durchgeführt werden, besteht ein weiterer wesentlicher Vorteil darin, dass Messungen mittels Radarstrahlung prinzipiell auch in Anwesenheit von Kühlschmierstoff durchgeführt werden können. Wenn die Wellenausbreitung in einer Flüssigkeit stattfindet, werden für die Wellenausbreitung relevante Eigenschaften der Flüssigkeit, z. B. die Permeabilität, bei der Auswertung und ggf. bei der Wahl der genutzten Wellenlängen berücksichtigt. Eine permanente Reinigung des Fertigungshilfsstoffs während des Bearbeitungsprozesses kann vorteilhaft sein, um definierte Verhältnisse für die Wellenausbreitung zu gewährleisten.
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Der Informationsgehalt der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung (Sekundärsignal) wird analysiert, um einen oder mehrere Oberflächenmesswerte zu ermitteln. Ein Oberflächenmesswert kann beispielsweise Auskunft über makroskopischen Dimensionen und/oder die Makroform der Werkstückoberfläche geben. Bei Werkstückoberflächen, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmt sind (beispielsweise Innenflächen zylindrischer Bohrungen oder Außenflächen von zylindrischen Werkstückabschnitten an Wellen) kann der Oberflächenmesswert Informationen über den Durchmesser und/oder die Makroform der Oberfläche enthalten, um daraus beispielsweise Informationen über Maßgenauigkeit, Rundheit, Zylindrizität und/oder Profilierung in Axialrichtung (Konizität, Tonnenform, Balligkeit, Vorweite etc.) zu ermitteln. Ggf. können auch Informationen über die Lage der Symmetrieachse eines zylindrisch gekrümmten Werkstückabschnittes oder einer Bohrung in Bezug auf eine Solllage abgeleitet werden. Ein Oberflächenmesswert kann auch Informationen über die mikroskopische Oberflächenbeschaffenheit der Werkstückoberfläche repräsentieren, um beispielsweise Angaben über die Rauheit der Oberfläche und/oder über die Verteilung und/oder Ausrichtung von Bearbeitungsspuren des Feinbearbeitungsprozesses zu ermitteln.
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Die von der Werkstückoberfläche reflektierte Radarstrahlung kann auf unterschiedliche Weise erfasst und ausgewertet werden. Bei manchen Ausführungsformen wird eine Phasenverschiebung zwischen dem emittierten Primärstrahlung und dem von der Werkstückoberfläche reflektierten Sekundärstrahlung ermittelt und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet (Phasenmessung). Hierbei ist es besonders günstig, wenn die effektive Wellenlänge derart an die Größenordnung eines typischen Messabstandes angepasst ist, dass die Phasenverschiebung geringer als eine Wellenlänge ist. Dann sind die Ergebnisse der Phasenmessung ohne großen Zusatzaufwand eindeutig interpretierbar. Die Wellenlänge in Luft kann z. B. zwischen 3 mm und 15 mm liegen, wenn typische Messabstände in der Größenordnung von 1 mm liegen. Es ist auch möglich, die Laufzeit der Radarstrahlung zwischen einem Emissionszeitpunkt und einem Empfangszeitpunkt zu ermitteln und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes auszuwerten (Laufzeitmessung).
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Sowohl mit Phasenmessung als auch mit Laufzeitmessung kann z. B. der geometrische Abstand zwischen Radarsensor und Werkstückoberfläche präzise ermittelt werden, um beispielsweise Informationen über den Durchmesser einer durch die Werkstückoberfläche begrenzten Bohrung und/oder die Makroform der Werkstückoberfläche abzuleiten. Bei einer Messung einer im Wesentlichen zylindrisch gekrümmten Werkstückoberfläche (z. B. Bohrungsinnenfläche oder Außenfläche eines zylindrischen Werkstückabschnitts einer Welle o. dgl) kann reflektierte Radarstrahlung z. B. an mindestens einem Paar von diametral gegenüberliegenden Messstellen erfasst und zur Ermittlung eines Durchmesserwertes der durch die Werkstückoberfläche begrenzten Bohrung ausgewertet werden.
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Es ist auch möglich, dass Messwerte für eine Vielzahl von Messstellen an der Werkstückoberfläche erfasst werden und aus den Messwerten mindestens ein die Makroform der Werkstückoberfläche repräsentierender Formmesswert ermittelt wird. Hierzu können beispielsweise die Messwerte von mindestens 10 oder mindestens 100 oder mindestens 1.000 oder mehr Messstellen gemeinsam ausgewertet werden. Um dies mit einer geringen Anzahl von beispielsweise einem oder zwei Radarsensoren zu erreichen, werden bei einer Ausführungsform das Werkstück und die Radarsensoranordnung für die Messung relativ zueinander bewegt und die Messwerte werden zeitlich aufeinander folgend für die Vielzahl von Messstellen erfasst. Beispielsweise können in Umfangsrichtung eines im Wesentlichen zylindrisch gekrümmten Werkstückabschnittes mindestens 50 oder mindestens 100 oder mindestens 200 oder mindestens 1.000 Messwerte aufgenommen werden, um eine genaue Information über die Rundheit oder Abweichung davon zu ermitteln. Werden solche Umfangsinformationen an mehreren axial beabstandeten Orten erfasst, so können Angaben zu Rundheit, Balligkeit, Tonnenform, Konizität etc. einer Bohrungsinnenfläche oder einer Werkstückaußenfläche ermittelt werden.
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Mit Hilfe von Radarstrahlen können komplexe Formmessungen mit hoher Genauigkeit in relativ kurzer Zeit durchgeführt werden. Bei manchen Ausführungsformen wird hierzu die Radarstrahlung in Pulsen bei einer Abtastrate von mindestens 0.1 kHz auf die Werkstückoberfläche eingestrahlt, wobei die Abtastrate vorzugsweise mindestens 1 kHz beträgt. Auf diese Weise können pro Sekunde mindestens 100 oder mindestens 1.000 Messstellen vermessen werden, so dass innerhalb kürzester Zeit Komplettmessungen mit hoher Ortsauflösung möglich sind.
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Die erzielbaren hohen Abtastraten ermöglichen weitere Optimierungen des Messprozesses. Beispielsweise sind statistische Verfahren der Fehlerrechnung und Fehlerkorrektur möglich. Bei manchen Verfahrensvarianten werden hierzu bei der Messung Messstellen mehrfach erfasst und aus den mehreren Messwerten für eine Messstelle wird ein statistisch bewerteter Messwert für die Messstelle errechnet. Wenn Messstellen mehrfach überfahren werden, so können zu jedem Flächensegment der Werkstückoberfläche mehrere Messwerte ermittelt werden. Durch rechnerische Plausibilisierung können Messfehler zu einem hohen Maße aussortiert werden, wodurch die Qualität des Messergebnisses und seine Zuverlässigkeit steigt. Daneben können Mittelwertberechnungen aus vielen Messwerten verlässlichere Ergebnisse liefern als bei wenigen Messwerten, so dass Konfidenzintervalle kleiner werden, was zusätzlich die Qualität der Messergebnisse verbessert. Verlässlichere Messwerte erfordern weniger Gegenkontrollen, was den Messaufwand und die vom Betreiber einer Feinbearbeitungsanlage vorzuhaltende personelle und technische Messkapazität im Vergleich zu herkömmlichen Meßsystemen verringert. Es können somit bessere Messergebnisse bei ggf. verringerten Kosten erzielt werden.
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Bei manchen Ausführungsformen wird aus der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung mindestens ein die Oberflächenstruktur der Werkstückoberfläche repräsentierender Oberflächenstrukturmesswert ermittelt. Dieser kann beispielsweise ein Maß für die Rauheit der Werkstückoberfläche und/oder für die Orientierung von Bearbeitungsspuren odgl. sein.
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Insbesondere für die Ermittlung von Oberflächenstrukturmesswerten und/oder von Informationen über die Oberflächenform haben sich Verfahrensvarianten bewährt, bei denen eine Intensität der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung ermittelt und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet wird. Dies kann qualitativ beispielsweise wie folgt verstanden werden. Wird ein Primärsignal im Wesentlichen senkrecht auf eine glatte Werkstückoberfläche eingestrahlt, so wird die Radarstrahlung im Wesentlichen direkt zum Radarsensor zurückreflektiert, so dass die Intensität des empfangenen Signals vergleichsweise relativ hoch sein kann. Ist dagegen die vermessene Werkstückoberfläche stark strukturiert (z. B. sehr rau), so wird die Radarstrahlung in einen größeren Raumwinkelbereich rückreflektiert, so dass im Vergleich zu einer glatten Werkstückoberfläche nur ein geringerer Anteil der Strahlungsintensität zurück zum Absendeort am Radarsensor gelangt. Über entsprechende Kalibrierung kann somit aus der Intensität der reflektierten Radarstrahlung auf die Mikrostruktur der Oberfläche rückgeschlossen werden.
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Wird die Intensität der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radialstrahlung an mehreren Orten innerhalb eines ausgedehnten Erfassungsbereichs ortsauflösend erfasst, so können auch Informationen über die Winkelverteilung der reflektierten Radarstrahlung zweidimensional (in einer bestimmten Ebene) oder dreidimensional (im Raum) ermittelt werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, Häufungen von Rückstreuwinkeln zu ermitteln, woraus sich beispielsweise Rückschlüsse auf die Orientierung von Bearbeitungsspuren an der Werkstückoberfläche und/oder auf die makroskopische Orientierung der Oberfläche zum einfallenden Radarstrahl ziehen lassen.
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Beim Honen wird normalerweise ein Kühlschmierstoff (Honöl oder Honemulsion) verwendet, der die Späneabfuhr unterstützt und den Bearbeitungsbereich kühlt. Kühlschmierstoffe werden auch bei der Außenfeinbearbeitung eingesetzt. Die Auswertung der Messergebnisse der Radarmessung ist in diesen Fällen in der Regel aufwendiger als bei Wellenausbreitung in Gas. Zur Vermeidung solcher Probleme ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, eine Reinigung des Messbereichs durch Freiblasen des Messbereichs mittels Luft oder mittels eines anderen geeigneten Reinigungsgases durchzuführen. Hierdurch kann der zu messende Bereich beispielsweise von Honspänen und Resten von Honöl zumindest so weit gereinigt werden, dass die Messung nicht durch derartige Rückstände beeinflusst wird. Hierzu können sich im Bereich eines Radarsensors eine oder mehrere Blasdüsen befinden, die an ein mit Druckluft versorgbares Fluidkanalsystem angeschlossen sind und die mittels Druckluft den Raum zwischen Sensor und Werkstückoberfläche freiblasen. Die Druckluft kann ggf. über diejenigen Leitungen zugeführt werden, die bei herkömmlichen Luftmesssystemen genutzt werden.
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Die Messung wird vorzugsweise als Inprozess-Messung durchgeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass die Messung der Werkstückoberfläche unmittelbar nach einem vorausgegangenen Feinbearbeitungsschritt und/oder unmittelbar vor einem nachfolgenden Feinbearbeitungsschritt und/oder während der Feinbearbeitung an der Werkstückoberfläche an dem in einer Bearbeitungs-Spannvorrichtung eingespannten Werkstück durchgeführt wird. Ein Transport zu einer gesonderten Messstation entfällt damit.
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Vorzugsweise werden die Messergebnisse unmittelbar zur Prozessregelung über die Maschinensteuerung der Feinbearbeitungsanlage genutzt. Hierzu ist bei einer Variante vorgesehen, dass die Messung während und/oder nach einem Feinbearbeitungsschritt durchgeführt wird, eine die aktuelle Beschaffenheit (insbesondere Makroform, Durchmesser und/oder Oberflächenbeschaffenheit) der Werkstückoberfläche repräsentierender Oberflächen-Istwert ermittelt wird, und eine Differenz zwischen dem Oberflächen-Istwert und einem korrespondierendem Oberflächen-Sollwert zur Ansteuerung des Feinbearbeitungswerkzeuges verarbeitet wird. Durch diesen Regelkreis ist eine verbesserte Genauigkeit des Feinbearbeitungsprozesses erzielbar und die Ausbeute an Gutteilen wird erheblich erhöht.
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Die Erfindung betrifft auch ein zur Durchführung des in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahrens geeignetes Messsystem zur Messung einer feinbearbeiteten Werkstückoberfläche eines Werkstücks. Das Messsystem weist mindestens eine Radarsensoranordnung mit mindestens einem Radarsensor auf.
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Die Erfindung betrifft auch eine Feinbearbeitungsvorrichtung, der mindestens ein erfindungsgemäßes Messsystem zugeordnet ist. Das Messsystem kann z. B. in eine Honmaschine oder in eine Finishmaschine integriert sein. Es ist auch möglich, das Messsystem als eine von einer Bearbeitungsmaschine gesonderte Messstation auszulegen.
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Bei der beanspruchten Erfindung ist das Messsystem als Inprozess-Messsystem ausgelegt. Hierzu ist vorgesehen, dass der Radarsensor an dem Feinbearbeitungswerkzeug der Vorrichtung angebracht ist, so dass das Feinbearbeitungswerkzeug als Sensorträger für den Radarsensor dient. Bei einer Honvorrichtung kann mindestens ein Radarsensor an einem Honwerkzeug angebracht sein. Bei einer Finishvorrichtung kann ein Radarsensor an einem Finisharm angebracht sein, der dazu vorgesehen ist, abrasives Schleifmittel (z. B. Schleifband oder Honstein) mit Hilfe einer Andrückeinrichtung an die zu bearbeitende Außenfläche eines Werkstückabschnittes anzudrücken.
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Das Messsystem kann beispielsweise als Durchmessermeßsystem, Formmeßsystem und/oder Rauheitsmeßsystem konfiguriert sein. Entsprechend der Messaufgabe kann die Radarsensoranordnung einen oder mehrere Radarsensoren aufweisen. Deren räumliche Anordnung sowie die Auswertung der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung bestimmen, welche Oberflächenmesswerte erfasst und welche Informationen über die gemessene Werkstückoberfläche daraus abgeleitet werden.
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Eine Auswerteeinrichtung des Messsystems kann mit einer Steuereinrichtung der Feinbearbeitungsmaschine signalübertragend verbunden bzw. Teil dieser Steuereinrichtung sein und gemeinsam mit dieser eine Regeleinrichtung zur Steuerung der Bearbeitung auf Basis von mit dem Messsystem erhaltenen Messdaten (Oberflächenmesswerten) bilden. Beispielsweise kann die Bearbeitungszeit und/oder der Anpressdruck von Schneidstoff (z. B. Honsteinen oder Schleifband) auf Basis von Oberflächenmesswerten des Messsystems gesteuert werden, um auch bei größeren Serien zu bearbeitender Werkstücke enge Fertigungstoleranzen einhalten zu können.
