DE102022202259A1

DE102022202259A1 - Finishverfahren und Finishvorrichtung zur Finishbearbeitung von Wälzkörperlaufbahnen

Info

Publication number: DE102022202259A1
Application number: DE102022202259.9A
Authority: DE
Inventors: Oliver Stammen
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik Ges mbH; Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik Ges mbH; Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2022-03-07
Filing date: 2022-03-07
Publication date: 2023-09-07
Also published as: WO2023169884A1

Abstract

Ein Finishverfahren zur Finishbearbeitung eines Werkstücks mit wenigstens einer um eine Werkstückachse umlaufenden Laufbahn für Wälzkörper umfasst folgende Schritten: Bereitstellen eines Finishwerkzeugs, welches eine abrasive Arbeitsfläche aufweist; Anbringen des Finishwerkzeugs an einen Werkzeughalter; Erzeugen einer Eigenrotation des Werkstücks um eine Laufbahnachse mit einer Drehfrequenz; Erzeugen einer der Eigenrotation des Werkstücks überlagerten und mit einer Oszillationsfrequenz oszillierenden Oszillationsbewegung des Werkzeughalters; Andrücken des Finishwerkzeugs mit einer Andrückkraft in einer Andrückrichtung an die Werkstückoberfläche derart, dass die abrasive Arbeitsfläche im Bereich der Laufbahn am Werkstück angreift. Das Finishverfahren ist gekennzeichnet durch ein kontinuierliches Erfassen eines durch die Andrückkraft verursachten Kraftsignals innerhalb eines Erfassungszeitraums, der teilweise oder vollständig mit einem Bearbeitungszeitraum der Finishbearbeitung überlappt, und eine zeitaufgelöste Auswertung des Kraftsignals zur Bestimmung mindestens eines Geometrieparameters, der (i) eine Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Laufbahn und/oder (ii) einen geometrischen Bezug zwischen der Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Laufbahn und einer Position einer Oszillationseinrichtung repräsentiert.

Description

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich auf ein Finishverfahren zur Finishbearbeitung von Werkstücken mit wenigstens einer um eine Laufbahnachse umlaufenden Laufbahn für Wälzkörper sowie auf eine zur Durchführung des Finishverfahrens geeignete Finishvorrichtung.
Das Finishen, das auch als Superfinishen, Microfinish oder Kurzhubhonen bezeichnet wird, ist nach DIN 8580 ein trennendes Bearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Ein Charakteristikum ist die Verwendung vielschneidiger Werkzeuge (Finishwerkzeuge), die in einer Bindung gebundene Schneidkörner aufweisen und relativ zu einem bewegten Werkstück eine häufig aus zwei Geschwindigkeitskomponenten überlagerte Schnittbewegung ausführen. Relativ gesehen alterniert bzw. oszilliert immer eine Komponente der Schnittbewegung, so dass die bearbeitete Oberfläche definierte Kreuzspuren aufweist („Kreuzschliff“). In Abhängigkeit von der Art des Finishwerkzeuges (Finishstein oder Finishband) ist eine weitere Unterteilung in Steinfinishen und Bandfinishen üblich. Eine weitere Einteilung wird nach den zu bearbeitenden Formelementen vorgenommen.
Das Finishen kommt u.a. bei der Herstellung von Komponenten für Wälzlager in großem Umfang zum Einsatz. Wälzlager sind das verbindende Bauteil zwischen einem drehenden Teil (Welle, Achse) und einem festen Teil (Gehäuse, Gestell). Die Hauptkomponenten eines Wälzlagers sind ein Außenring, der an seiner Innenseite eine umlaufende Laufbahn (Wälzkörperlaufbahn) aufweist, ein Innenring, der an seiner Außenseite eine umlaufende Laufbahn aufweist, ein Käfig und die Wälzkörper. Die Wälzkörper befinden sich zwischen den beiden Ringen und sorgen für die Rollreibung. Sie rollen dabei mit Punktkontakt oder Linienkontakt an den Laufbahnen ab. Der Käfig sorgt für eine gleichmäßige Verteilung der Wälzkörper im Lager. Die Namen der Lagertypen leiten sich aus der Gestalt der Wälzkörper ab (z.B. Kugellager, Nadellager, Zylinderrollenlager, Tonnen- oder Pendelrollenlager, Kegelrollenlager). Jedes dieser Wälzlager kann je nach Art der Wälzkörper und Querschnittsprofil der Wälzkörperlaufbahnen unterschiedliche Kräfte in axialer und radialer Richtung aufnehmen.
Bei Kugellagern werden die Laufbahnen für die Kugeln meist als Kugellaufbahnen bezeichnet. Viele Kugellaufbahnen sind als am Umfang eines Werkstücks umlaufende Rillen mit abschnittsweise oder komplett kreisbogenförmig gekrümmtem Querschnittsprofil ausgebildet.
Bei einem Standard-Kugellager sind ringförmig geschlossene Kugellaufbahnen an der Außenseite von Innenringen und an der Innenseite von Außenringen ausgebildet. Das Querschnittsprofil ist in der Regel kreisbogenförmig, z.B. etwa halbrund. Sonderbauformen können auch normal zur Rotationsachse geteilte Ringhälften aufweisen und werden zur Erhöhung der axialen Kraftaufnahmefähigkeit z.B. als sogenannte 4-Punktlager angeboten.
Kugellaufbahnen findet man auch an Kugelgewindetrieben. Ein Kugelgewindetrieb, auch als Kugelumlaufspindel bezeichnet, ist ein Schraubgetriebe, welches eingefügte Kugeln enthält, um die Kraft zwischen Kugelgewindespindel (Gewindestange) und Kugelgewindemutter zu übertragen. Beide Teile haben je eine schraubenförmig verlaufende Rille, die als Kugellaufbahn fungiert und gemeinsam eine mit Kugeln gefüllte schraubenförmige Röhre bilden. Die Kugellaufbahnen von Kugelgewindespindeln haben oft ein gotisches Profil (auch Spitzbogenprofil genannt), das sich aus zwei kreisbogenförmigen Abschnitten zusammensetzt, die im Bodenbereich der Rille unter Bildung eines Winkels zusammenlaufen und jeweils einen eigenen Radiusmittelpunkt aufweisen. Es wird dadurch, wie bei den 4-Punkt-Lagerkonstruktionen, eine erhöhte axiale Belastbarkeit erreicht.
Die in dieser Anmeldung verwendete Formulierung „im Wesentlichen halbrunder Querschnitt“ soll mehr oder weniger halbrunde Querschnitte sowie allgemeiner ausgedrückt durchgehend kreisbogenförmig gekrümmte Querschnittsprofile sowie gotische Querschnittsprofile umfassen.
Kugellaufbahnen an Innenringen oder Außenringen von Kugellagern und andere ähnliche Profile, wie z.B. Kugellaufbahnen an Kugelumlaufspindeln für einen Kugelgewindetrieb, werden mit Finishwerkzeugen bearbeitet, die mit hoher Schwingungsfrequenz um eine Schwenkachse hin- und her oszillieren, während das Werkstück um seine Werkstückachse rotiert. Als Finishwerkzeug wird hier meist ein Finishstein verwendet, auch Finishband kann ggf. eingesetzt werden. Die Schwenkachse liegt in der Nähe des Kontaktbereichs zwischen Werkstückoberfläche und Finishwerkzeug. Die Schwenkachse sollte idealer Weise im Krümmungszentrum des zu bearbeitenden Rillenprofils oder in dessen Nähe liegen. Die Kombination aus der oszillierenden Schwenkbewegung des Finishwerkzeugs und der Eigenrotation des Werkstücks um die Laufbahnachse führt zu einer optimalen Werkstückoberfläche.
Das Dokument DE 10 2014 222 848 B4 beschreibt eine Finishmaschine, die für derartige Bearbeitungsprozesse ausgelegt ist.
Ein Problem bei der Finishbearbeitung von Kugellagerringen ist der sogenannte „Rillenversatz“, also die Toleranz der Laufbahnmitte (Mitte der Kugellaufbahn in Axialrichtung des Werkstücks) zur Ringanlageseite, d.h. zu einer Planfläche oder einer anderen Referenzfläche, die bei der Einspannung des Werkstücks als axiale Bezugsfläche dient. In der Praxis versucht man, durch die Vorbearbeitung (meistens mittels Schleifens) zu erreichen, diese Toleranz möglichst klein zu halten. Heutzutage kann man dabei in der Serie mit entsprechend hohem Aufwand Lagegenauigkeiten im Bereich von 5 µm bis 10 µm erreichen. Soll nun aber das Finishwerkzeug in einer Finishmaschine dazu genutzt werden, die Geometrie im Mikrometerbereich oder auch darunter noch zu verbessern, ist ein Rillenversatz hinderlich.
Das Problem kann zumindest teilweise kompensiert werden, indem mit relativ weichen Finishwerkzeugen gearbeitet wird, die sich rasch an die Werkstückgeometrie anpassen können. Man kann auch mit flexiblen Finishwerkzeug-Haltern arbeiten, die sich verwinden können. Beide Hilfsmaßnahmen sind aber für eine hohe geometrische Qualität nicht förderlich.
Die Patentschrift DD 234 388 A1 beschreibt unterschiedliche weitere Lösungsansätze zum Umgang mit dem Rillenversatz. Vorgeschlagen wird eine pneumatische Einstellvorrichtung zur Einstellung der axialen und radialen Position eines Feinziehschleifwerkzeuges und dessen Schwingachse an Feinziehschleifmaschinen zur Bearbeitung von Wälzlagerinnen- und außenringen. Die pneumatische Einstellvorrichtung basiert auf dem Düse-Prallplatte-Prinzip und ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Werkzeughalter für einen Feinziehschleifstein ein Messkopf gespannt ist, dass der Messkopf eine der Laufbahn eines Wälzlagerringes ähnliche, doppelt gekrümmte Stirnfläche aufweist, dass in die Stirnoberfläche vier Messdüsen eingebracht sind, wobei sich jeweils die Messdüsen symmetrisch zum Stirnflächenmittelpunkt auf den Symmetrieachsen der Stirnfläche gegenüberliegen und dass zum Ableiten der aus den Messdüsen austretenden Luft Aussparungen in die Stirnfläche eingebracht sind. Damit kann die axiale und radiale Position des Feinziehschleifwerkzeuges vor Beginn der Finishbearbeitung exakt auf die Rillenmitte eingestellt werden.
Dokument DE 30 30 703 A1 offenbart Vorrichtungen zur Überprüfung der Abmessungen des Laufrings eines Lagerrings mit Messfühlern.
Kugelgewindetriebe sind meist im Hinblick auf Verschleiß und Geräuschemission zu optimieren. Aufgrund der im Gegensatz zu dauerhaft rotierenden Wälzlagern relativ geringen Belastung wird die Verschleißhemmung bereits durch einen vergleichsweise geringen Werkstoffabtrag (Entfernung der Weichhaut) erreicht. Allerdings wird das Geräuschverhalten maßgeblich von der Micro- und Makrogeometrie des Laufbahnprofiles beeinflusst. Außerdem können Steigungsfehler auftreten.
AUFGABE UND LÖSUNG
Vor dem Hintergrund dieses Standes der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Finishverfahren und eine Finishvorrichtung für einen Finishprozess bereitzustellen, die es gestatten, an Werkstücken, die wenigstens eine um eine Laufbahnachse umlaufende Laufbahn für einen Wälzkörper aufweisen, die Laufbahnen innerhalb kurzer Taktzeiten mit hoher geometrischer Präzision und hoher Oberflächengüte zu finishen.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Finishverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird eine zur Durchführung des Finishverfahrens geeignete Finishvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 10 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Inhalt sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Bei dem Finishverfahren wird ein Werkstück, das wenigstens eine um seine Laufbahnachse umlaufende Laufbahn für Wälzkörper (Wälzkörperlaufbahn) aufweist, mithilfe des Bearbeitungsverfahrens Finishen bzw. Superfinishen feinbearbeitet. Vorzugsweise geht es um die Finishbearbeitung des Bereichs einer Kugellaufbahn, die als Abrollfläche für Kugeln dienen soll. Kugeln sollen idealerweise nur einen Punktkontakt zur Abrollfläche haben. Für diese Bearbeitungsaufgabe werden üblicherweise Finishwerkzeuge in Form von Finishsteinen verwendet, die eine zum Angreifen an dem Werkstück vorgesehene abrasive Arbeitsfläche aufweisen. Deren Gestalt kann durch eine Vorbearbeitung an die Gestalt des Werkstücks angenähert sein. Solche Finishsteine können sich nach kurzer Bearbeitungszeit durch gegebenenfalls ungleichen Abrieb gut an die zu bearbeitende Kugellaufbahn anpassen.
In manchen Fällen können auch Finishwerkzeuge in Form eines Finishbands genutzt werden, welches mithilfe einer ggf. an die Werkstückgeometrie angepassten Anpresseinrichtung an die Werkstückoberfläche angedrückt wird.
Beim Einrichten der Finishvorrichtung wird das Finishwerkzeug, z.B. ein Finishstein, an einem Werkzeughalter der Finishvorrichtung angebracht. Der Werkzeughalter und hat dazu an einem werkstücknahen Ende eine entsprechende Finishwerkzeug-Aufnahme, an oder in der das Finishwerkzeug beispielsweise eingeklemmt oder auf andere Weise angebracht und ggf. fixiert oder auch beweglich geführt werden kann.
Für die materialabtragende Bearbeitung wird eine Eigenrotation des Werkstücks um eine Laufbahnachse erzeugt. Die Laufbahnachse ist die durch das Zentrum der umlaufenden Laufbahn führende Achse. Hierzu weist die Finishvorrichtung eine Werkstückaufnahmeinrichtung mit einem zugeordneten Drehantrieb auf. Die Eigenrotation erfolgt mit einer vorgebbaren Drehfrequenz bzw. Drehzahl, die wenigstens phasenweise im Wesentlichen konstant sein sollte, um eine Werkstückrotationsachse, die idealerweise mit der Laufbahnachse zusammenfällt. Die Laufbahnachse fällt bei komplett rotationssymmetrischen Werkstücken mit deren Symmetrieachse zusammen. Eine Laufbahnachse kann aber auch parallel zu einer Werkstückachse versetzt sein.
Weiterhin wird eine der Eigenrotation des Werkstücks überlagerte Oszillationsbewegung des Werkzeughalters bzw. des darin gehaltenen Finishwerkzeugs erzeugt. Diese Oszillationsbewegung erfolgt mit einer vorgebbaren Oszillationsfrequenz, die wenigstens phasenweise möglichst konstant sein sollte. Bei variierender Oszillationsfrequenz sollte die Varianz bekannt sein.
Bei der Oszillationsbewegung kann es sich z.B. um eine oszillierende Schwenkbewegung des Werkzeughalters bzw. des darin gehaltenen Finishwerkzeugs um eine Schwenkachse handeln, wobei die Schwenkbewegung mit einer vorgebbaren Schwenkfrequenz erfolgt. Dies kann insbesondere bei der Bearbeitung von Kugellaufbahnen mit im Wesentlichen halbrunden Querschnittsprofil zweckmäßig sein.
Wenn die Finishvorrichtung sachgemäß eingerichtet ist, sollte die Schwenkachse mehr oder weniger genau durch ein Krümmungszentrum des im Wesentlichen halbrunden Profils der Kugellaufbahn führen.
Bei der Oszillationsbewegung kann es sich auch um eine mit einer Oszillationsfrequenz geradlinig hin und her oszillierende Linearbewegung des Werkzeughalters bzw. des darin gehaltenen Finishwerkzeugs entlang einer Oszillationsachse handeln. Dies kann insbesondere bei der Bearbeitung von Laufbahnen mit zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Abschnitten für rollenförmigen oder kegelförmige Wälzkörper zweckmäßig sein.
Zur Erzeugung der über einen begrenzten Winkelbereich oder über einen begrenzten Verfahrbereich hin und her gehenden Oszillationsbewegung ist eine Oszillationseinrichtung mit einem steuerbaren Oszillationsantrieb vorgesehen.
Zur Erzeugung von Schnittkraft für den Materialabtrag während des Betriebs wird das Finishwerkzeug, insbesondere der Finishstein, mit einer Andrückkraft in einer Andrückrichtung an die Werkstückoberfläche im Bereich der Laufbahn derart angedrückt, dass die abrasive Arbeitsfläche im Bereich der Laufbahn unter einer Wirkkraft eingreifen kann. Zum Andrücken an die Wirkstelle weist die Finishvorrichtung eine Andrückeinrichtung auf, welche die Andrückkraft erzeugt. Die Andrückrichtung des Finishwerkzeugs verläuft bei einer um eine Schwenkachse oszillierenden Schwenkbewegung senkrecht zur Schwenkachse und oszilliert synchron mit dem Werkzeughalter um die Schwenkachse. Bei einer oszillierenden Linearbewegung verläuft die Andrückrichtung des Finishwerkzeugs senkrecht zur geraden Bewegungsachse oszilliert synchron mit dem Werkzeughalter.
Bei einem Finishverfahren gemäß der beanspruchten Erfindung erfolgt eine kontinuierliche Erfassung eines durch die Andrückkraft verursachten Kraftsignals zumindest während eines Erfassungszeitraums, der teilweise oder vollständig mit dem Bearbeitungszeitraum der Finishbearbeitung überlappt. Das Kraftsignal kann während der kompletten Finishbearbeitung erfasst werden oder innerhalb eines kürzeren Zeitfensters, das wenigstens zum Teil mit der Bearbeitungszeit überlappt. Die Erfassung und Auswertung des Kraftsignals kann beginnen, bevor das Finishwerkzeug bis in die Eingriffsposition zugestellt ist, also zu einem Zeitpunkt, in dem noch keine Andrückkraft wirkt. Dann kann auch der Kraftverlauf beim Erreichen des Werkstückkontakts bei der Zustellung erfasst und analysiert werden.
Die Finishvorrichtung weist zur Kraftmessung und zu Erzeugung eines Kraftsignals mindestens einen Kraftaufnehmer auf, der in dieser Anmeldung auch synonym als Kraftsensor bezeichnet wird. Der Kraftaufnehmer kann z.B. mindestens einen Dehnungsmessstreifen (DMS; englisch strain gauge) aufweisen, der an einem elastisch verformbaren Abschnitt eines im Kraftfluss liegenden Teils z.B. durch Ankleben angebracht werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann z.B. ein Piezo-Kraftaufnehmer zur Erzeugung des Kraftsignals verwendet werden.
Der Begriff „Kraftsignal“ bezeichnet hier ein vorzugsweise elektrisches Signal, welches in einem definierten funktionalen Zusammenhang mit einem durch den Kraftaufnehmer bzw. Kraftsensor erfassten Zustand steht. Das Kraftsignal kann z.B. eine Amplitude aufweisen, die im Wesentlichen proportional zur Kraft oder einer Kraftkomponente ist, die in einer Sensitivitätsrichtung des Kraftaufnehmers wirkt. Es kann elektrisch leitungsgebunden und/oder drahtlos vom Kraftsensor zur Weiterverarbeitung übertragen und ggf. vor Auswertung im Rahmen einer Signalvorbereitung gefiltert bzw. geglättet werden.
Der mindestens eine Kraftaufnehmer ist vorzugsweise im Kraftfluss zwischen der abrasiven Arbeitsfläche des Finishwerkzeugs und der Andrückeinrichtung angeordnet. Eine Anordnung an einer anderen Stelle ist ebenfalls möglich, z.B. im Kraftfluss zwischen einem Grundgestell der Finishvorrichtung und dem Gehäuse des darauf montierten Oszillationsantriebs oder zwischen diesem und der davon getragenen Andrückeinrichtung.
Ein Kraftaufnehmer kann insbesondere im Bereich einer Finishwerkzeug-Aufnahme des Werkzeughalters zwischen dem Finishwerkzeug (insbesondere Finishstein) und dem Werkzeughalter angeordnet sein. Die Anordnung eines Kraftaufnehmers zwischen einem Finishwerkzeug und Werkzeughalter bietet bei Finishsteinen unter anderem den Vorteil, dass sich zwischen der Wirkstelle und dem Kraftsensor im Wesentlichen nur das biegesteife bzw. starre Material des Finishsteins befindet, so dass die für die Messung relevanten Kräfte und Momente auf kurzem Weg weitgehend ungedämpft zum Kraftsensor gelangen.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Kraftaufnehmer z.B. an oder in einem Bauteil eingebaut sein, das durch die Bearbeitungskräfte während der Bearbeitung unter Biegung und/oder Torsion beansprucht wird. Dabei wirken durch elastische Verformung verursachte Kräfte auf den Kraftsensor. Gegebenenfalls können durch elastische Verformung sowohl Zug- als auch Schubkräfte gemessen werden. Ein Kraftaufnehmer kann z.B. am oder im Werkzeughalter zwischen der Finishwerkzeug-Aufnahme und der Anbindung zur Antriebseinrichtung angeordnet sein. Abhängig von Art und Anordnung des Kraftaufnehmers können auch Scherkräfte erfasst werden. Dies ist besonders wichtig, wenn die Einleitung der Anpresskraft aufbaubedingt nicht senkrecht zur Laufbahnachse des Werkstücks möglich ist, oder Nachgiebigkeiten nicht über Proportionalfaktoren kompensiert werden können.
Mit einem Kraftaufnehmer werden Kräfte gemessen, die auf den Kraftaufnehmer wirken. Es gibt Einkomponenten-Kraftaufnehmer, die nur eine einzige Sensitivitätsrichtung haben, also nur Kräfte bzw. Kraftkomponenten messen können, die in dieser Sensitivitätsrichtung wirken. Zur Kraftmessung kann ein Einkomponenten-Kraftaufnehmer verwendet werden, z.B. an oder in einem Abschnitt eines Bauteils, das auf Biegung und/oder Torsion beansprucht wird. In manchen Fällen kann die Verwendung eines Mehrkomponenten-Kraftaufnehmers vorteilhaft sein, der zwei oder drei oder mehr quer zueinander, insbesondere zueinander orthogonale Sensitivitätsrichtungen aufweist. Damit ist eine mehrdimensionale Kraftmessung möglich, die noch genauere und besser interpretierbare Information über räumliche Kräfteverteilungen und deren prozessbedingte Veränderungen bietet. Es kann auch eine Gruppe von zwei, drei oder mehr separaten Kraftaufnehmern vorgesehen sein, die vorzugsweise mit zwei, drei oder mehr unterschiedlichen Sensitivitätsrichtungen eingebaut werden.
Das Kraftsignal wird zeitaufgelöst ausgewertet. Mithilfe dieser Auswertung wird mindestens ein Geometrieparameter bestimmt. Ein Geometrieparameter in diesem Sinne ist ein Parameter, der maßgeblich durch die Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Laufbahn bestimmt ist. Ein Geometrieparameter kann ausschließlich werkstückbezogen sein und die Werkstückgeometrie, also die makroskopische Gestalt des Werkstücks im Bereich der bearbeiteten Laufbahn, repräsentieren. Die Werkstückgeometrie kann mithilfe von Koordinaten des werkstückfesten Werkstückkoordinatensystems beschrieben werden. Ein Geometrieparameter kann z.B. Art und Ausmaß einer eventuellen Welligkeit der Laufbahn in Umfangsrichtung beschreiben.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Geometrieparameter einen geometrischen Bezug zwischen der Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Laufbahn und einer Position der Oszillationsachse (Schwenkachse oder translatorische Achse) repräsentieren. Dadurch kann ein Bezug zwischen dem Werkstückkoordinatensystem und dem Maschinenkoordinatensystem hergestellt werden. Damit kann z.B. eine automatische Zentrierungsoperation durchgeführt werden, um das Finishwerkzeug in Bezug auf eine Laufbahn, insbesondere auf eine Rille bzw. eine Kugellaufbahn, zu zentrieren.
Wichtig ist dabei, dass der zeitliche Verlauf des Kraftsignals erfasst und ausgewertet wird, also der Verlauf des Kraftsignals in Abhängigkeit von der Zeit. Diese Zeitabhängigkeit des Kraftsignals wird dann analysiert und zur Bestimmung des mindestens einen Geometrieparameters genutzt. Die Geometrieinformation wird somit abgeleitet aus Informationen darüber, ob und ggf. auf welche Weise sich das Kraftsignal mit der Zeit ändert.
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass es mithilfe einer zeitaufgelösten Erfassung und Analyse von Kraftsignalen möglich ist, Geometrieinformation über den Bearbeitungsprozess und/oder über die relative Positionierung des Werkstücks zur Finishvorrichtung und/oder über das Werkstück zu ermitteln. Damit kann z.B. die Position des Finishwerkzeugs und/oder der Schwenkachse und/oder einer translatorischen Achse relativ zum Werkstück bestimmt werden, insbesondere die axiale Position, also die Position in Axialrichtung des Werkstücks.
Damit kann beispielsweise beim Bearbeiten von Kugellaufbahnen das Ausmaß eines eventuellen axialen Versatzes der axialen Lage der Schwenkachse in Relation zur axialen Lage der zu bearbeitenden Kugellaufbahn quantitativ bestimmt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch eventuell am Werkstück vorhandene Geometrieabweichungen bestimmt und ausgewertet werden, zum Beispiel eine Welligkeit am Umfang des bearbeiteten Werkstücks im Bereich einer Laufbahn.
Die kontinuierliche Erfassung der Andrückkraft kann zusätzlich auch genutzt werden, um die für den Materialabtrag maßgebliche Kraft zu bestimmen, die im Kontaktbereich zwischen der abrasiven Arbeitsfläche und dem Werkstück wirkt.
Wichtig für das Verständnis der Erfindung ist, dass Aussagen zur Zeitabhängigkeit von Kraftsignalen bestimmt werden, was auch möglich ist, ohne die Absolutwerte der Kraft zu ermitteln oder zu nutzen. Basis ist somit eine Analyse von Kraftverläufen von sich ggf. ändernden Kräften bzw. korrespondierendes Kraftsignalverläufen im Zeitbereich (time domain).
Die Erfindung ermöglicht somit eine quantitative Ermittlung geometrischer Eigenschaften des Werkstücks und/oder geometrischer Verhältnisse zum Bezug zwischen Maschinenkoordinatensystem und Werkstückkoordinatensystem auf Basis einer über einen gewissen Zeitraum erfolgenden Kraftmessung und der daraus abgeleiteten Information über Kraftänderungen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass zusätzlich zu der zeitaufgelösten Auswertung des Kraftsignals eine ortsaufgelöste Auswertung des Kraftsignals erfolgt, indem bei der Bearbeitung an nacheinander überfahrenen Orten einer Werkstückoberfläche erfasste Kraftsignale korrespondierenden Ortskoordinaten in einem Werkstückkoordinatensystem zugeordnet werden. Dadurch wird das Werkstück selbst das Beobachtungssystem. Mithilfe einer zusätzlichen ortsaufgelösten Auswertung ist es möglich, die Aussagekraft der Messung erheblich zu verbessern, die Generierung von Pseudofehlern zu unterbinden und dadurch die Rückführbarkeit der Messergebnisse im Sinne der Messtechnik zu schaffen.
Um eine ortsaufgelöste Auswertung zu erreichen, können zusätzlich zu dem Kraftsignal zeitgenau zugehörige Drehgebersignale des Drehantriebs der Werkstückhaltevorrichtung sowie Drehgebersignale der Schwenkeinrichtung oder Gebersignale einer translatorischen Oszillationseinrichtung sowie gegebenenfalls Positionsgebersignale einer translatorischen Maschinenachse für Verschiebungen parallel zur Werkstückrotationsachse ausgewertet werden.
Gemäß einer Weiterbildung wird eine kraftgesteuerte Axialpositionsregelung realisiert. Dabei wird eine axiale Relativposition zwischen der Schwenkachse bzw. der Schwenkeinrichtung oder einer anderen Oszillationseinrichtung und dem Werkstück bei Bedarf in Abhängigkeit von dem mindestens einen Geometrieparameter bzw. von dem Kraftsignal verändert, indem das Werkstück und/oder eine den Werkzeughalter tragende Schwenkeinrichtung oder Oszillationseinrichtung in Abhängigkeit von dem Kraftsignal axial, also in einer parallel zur Werkstückrotationsachse verlaufenden Richtung verlagert wird. Dazu kann ein Bediener entsprechende Einstellanweisungen erhalten. Vorzugsweise funktioniert die kraftgesteuerte Axialpositionsregelung automatisch, d.h. ohne Eingriff eines Bedieners.
Dazu ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Steuereinheit der Finishvorrichtung dazu konfiguriert ist, wenigstens eine steuerbare Einrichtung der Vorrichtung in Abhängigkeit von dem (mindestens einen) Kraftsignal bzw. dem daraus abgeleiteten Geometrieparameter zu steuern. Auf diese Weise kann über die Kenntnis des mindestens einen Geometrieparameters unmittelbar Einfluss auf den durch die Maschinensteuerung vorgegebenen Bearbeitungsprozess genommen werden. Somit ist ein geregelter Finishbetrieb bzw. ein sensitiver Finishbetrieb möglich, bei dem Bearbeitungsparameter der Finishvorrichtung automatisch in Abhängigkeit von den aktuellen Kräfteverhältnissen im Eingriffsbereich zwischen Finishwerkzeug und Werkstück eingestellt bzw. verändert werden können.
Gemäß der oben erwähnten Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die steuerbare Einrichtung eine automatische Veränderung einer axialen Relativposition zwischen der Schwenkachse bzw. der Schwenkeinrichtung oder einer anderen Oszillationseirichtung und dem Werkstück in Abhängigkeit von dem mindestens einen Geometrieparameter erzeugt, indem das Werkstück und/oder die Finishvorrichtung in einer parallel zur Werkstückachse verlaufenden Richtung verlagert wird. Gegebenenfalls, z.B. bei der Bearbeitung von Schrägkugellagern oder Axialkugellagern, kann die Verlagerungsrichtung zwischen einer Oszillationsachse und dem Werkstück auch schräg oder senkrecht zur Werkstückachse verlaufen.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Finishvorrichtung umfasst diese eine lineare Maschinenachse zur Änderung einer axialen Relativposition zwischen der Schwenkachse (oder einer anderen Oszillationsachse) und dem Werkstück in einer parallel zur Werkstückachse verlaufenden Verschiebungsrichtung und die Steuereinheit ist in einem Betriebsmodus konfiguriert, diese Maschinenachse in Abhängigkeit von dem Geometrieparamete zu steuern. Eine dafür geeignete numerisch gesteuerte Maschinenachse ist bei vielen konventionellen Finishvorrichtungen ohnehin vorhanden, z.B. um die Vorrichtung über Steuersignale der Steuereinrichtung z.B. an Kugellagerkomponenten unterschiedlicher Durchmesser und/oder an unterschiedliche Laufbahnpositionen anpassen zu können oder, bei Finishvorrichtungen zur Bearbeitung von Kugelgewindetriebskomponenten, zum kontinuierlichen Ändern der axialen Relativposition beim Folgen der Steigung des schraubenförmigen Verlaufs der Kugellaufbahn während der Finishbearbeitung. Diese translatorische Maschinenachse kann somit für eine weitere Funktionalität genutzt werden, nämlich eine kraftgesteuerte Positionsregelung für die Axialposition.
Bei bevorzugten Ausführungsformen mit Schwenkeinrichtung erfolgt eine automatische Zentrierung bzw. Optimierung der axialen Position der Schwenkachse gegenüber der bearbeiteten Kugellaufbahn auf Basis des Geometrieparameters. Die automatische Zentrierung kann durch Verändern der axialen Relativposition zwischen Werkstück und Werkzeug durch Verlagern des Werkstücks und/oder der Schwenkeinrichtung parallel zur Werkstückachse realisiert werden. Dazu kann die oben beschriebene lineare Maschinenachse zur Änderung einer axialen Relativposition zwischen der Schwenkachse und dem Werkstück in einer parallel zur Werkstückachse verlaufenden Verschiebungsrichtung genutzt werden.
Auf diese Weise kann zum Beispiel das in der Einleitung erwähnte Problem des Rillenversatzes entschärft werden, ohne dass ein Bediener eingreifen muss. Eine Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform „findet“ die Rillenmitte basierend auf der Krafterfassung und der zeitaufgelösten Analyse des Kraftverlaufs selbständig in einer Anfangsphase der Bearbeitung und kann fast von Beginn an somit hochgenau arbeiten, und zwar unabhängig davon, wie groß der Rillenversatz ursprünglich war. Kompromisse bezüglich der Werkzeughärte und/oder einer bewusst eingeführten Nachgiebigkeit im Bereich der das Finishwerkzeug tragenden Komponenten müssen dann nicht mehr eingegangen werden.
Eine solche Finishvorrichtung weist somit Einrichtungen für eine automatische Rillenmittenerkennung auf.
Somit können Finishwerkzeuge (Finishsteine oder Finishbänder) mit harter Bindung und entsprechend geringerem Werkzeugverschleiß genutzt werden und der Werkzeughalter benötigt keine Nachgiebigkeit, sondern kann ideal steif ausgelegt sein. Damit sind wichtige Voraussetzungen für eine erhebliche Verbesserung der Werkstückqualität geschaffen.
Zudem ergibt sich beim Einrichten der Finishvorrichtung eine Zeitersparnis, da das Finishwerkzeug in Bezug auf das Werkstück nur grob derart positioniert sein muss, dass das Finishwerkzeug im Bereich der Kugellaufbahn angeordnet ist und diese selbsttätig „finden“ kann. Eine eventuelle Abweichung (Rillenversatz) wird dann automatisch basierend auf den ermittelten Geometrieparametern korrigiert.
Bei der Bearbeitung von Kugelgewindespindeln etc. kann diese Zentrierungs-Funktionalität dazu genutzt werden, eventuelle Steigungsfehler zu erkennen und im Prozess selbsttätig zu kompensieren. Somit wird auch eine Einrichtung zum Kompensieren von Steigungsfehlern an Kugelgewindetrieben bereitgestellt.
Eine solche Finishvorrichtung weist somit Einrichtungen für das Erkennen und Kompensieren von Steigungsfehlern an Kugelgewindetrieben auf.
Nachfolgend werden einige bevorzugte Auslegungen der Auswertung bzw. der Auswerteeinheit erläutert.
Während eines realen Bearbeitungsprozesses erfasst ein Kraftsensor nicht nur die Kräfte und Kraftänderungen, die auf den Bearbeitungsprozess zurückgehen und gemessen werden sollen, sondern auch Kräfte und Kraftänderungen, die auf Vorgänge in der Umgebung und gegebenenfalls Besonderheiten in der Finishmaschine zurückgehen, die das Kraftsignal beeinflussen und schwer interpretierbar machen können.
Im Rahmen der zeitaufgelösten Auswertung ist bei bevorzugten Ausführungsformen eine frequenzspezifische Auswertung der Kraftsignale vorgesehen, vorzugsweise in verschiedenen Intervallen der Schwingungsperioden. „Frequenzspezifische Auswertung“ bedeutet insbesondere, dass die Kraftsignale (ggf. nach entsprechender Filterung im Rahmen der Signalvorbereitung) im Hinblick auf Signalanteile analysiert werden, die bestimmten Frequenzen zugeordnet werden können. Die weiteren Schritte der Analyse werden dann an denjenigen Signalverlaufsanteilen durchgeführt, die aufgrund ihrer Frequenzen wahrscheinlich dem gewünschten Beobachtungsgegenstand beschreiben.
Bei bevorzugten Ausführungsformen werden im Rahmen der Auswertung Verfahren der spektralen Verteilungsfunktion, mindestens aber mehrere abschnittsweise ausgewertete Daten der diskreten Fourier-Transformation (englisch: Discrete Fourier Transform, DFT) genutzt. Mit einer DFT kann ein zeitdiskretes Signal, hier das zeitabhängige Kraftsignal, in seine Frequenzanteile zerlegt und dadurch abschnittsweise analysiert werden, um Veränderungen in Abhängigkeit des Werkstücks und der Werkzeugeingriffsbedingungen auszuwerten. Dadurch können Mehrdeutigkeiten bei der Auswertung vermieden oder erheblich reduziert werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird im Rahmen der Auswertung ein Verfahren der schnellen Fourier-Transformation (englisch: Fast Fourier Transform, FFT) genutzt. Mit einer schnellen Fourier-Transformation kann ein zeitdiskretes Signal, hier das zeitabhängige Kraftsignal, in seine Frequenzanteile zerlegt und dadurch analysiert werden. Somit kann bei der Auswertung des zeitabhängigen Kraftsignals dieses in seine Frequenzanteile zerlegt werden und diejenigen Anteile, die der Schwenkfrequenz und/oder der Drehfrequenz entsprechen, können zur Bestimmung des Geometrieparameters weiterverarbeitet werden. Andere, evtl. störende und/oder zu Ergebnisverfälschungen führende Signalanteile werden dadurch explizit über entsprechend angepasste Filtermethoden von der Auswertung ausgeschlossen.
Dementsprechend sind in der Auswerteeinheit bevorzugter Ausführungsbeispiele ein FT-Modul zur Ermittlung eines mit der Schwenkfrequenz und/oder mit der Drehfrequenz im Wesentlichen periodisch variierenden Signalverlaufsanteils des Kraftsignals und Module zur Analyse dieses Signalverlaufsanteils vorgesehen. Das Kürzel „FT-Modul“ steht hier für ein mit entsprechender Software realisiertes Teilmodul der Auswertung, welches Fourier-Transformationen des zunächst zeitabhängigen Kraftsignals vornehmen kann.
Manche Ausführungsformen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des Kraftsignals eine Ermittlung eines mit der Oszillationsfrequenz, insbesondere mit der Schwenkfrequenz, im Wesentlichen periodisch variierenden Signalverlaufsanteils des Kraftsignals sowie eine (zeitaufgelöste) Analyse dieses Signalverlaufsanteils umfasst. Dem liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass wiederkehrende gleichgerichtete Signale, die mit gewisser Wahrscheinlichkeit dem gleichen Ort am Werkstück zugeordnet werden können, mit hoher Wahrscheinlichkeit einer Geometrieabweichung des Werkstücks von der Soll-Geometrie zuzuschreiben sind. Andere Signalverlaufsanteile, deren zeitlicher Verlauf nicht mit der Schwenkfrequenz oder einer anderen prozessspezifischen Oszillationsfrequenz korreliert, können andere Ursachen haben.
Vorzugsweise wird im Falle einer schwenkenden Oszillationsbewegung zusätzlich die Schwenklage erfasst, so dass für die Auswertung jederzeit bekannt ist, ob eine Besonderheit im Signalverlauf während eines Schwenkens im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn erzeugt wird. Analog kann auch die Position einer linearen Oszillationsbewegung erfasst und berücksichtigt werden.
Besonders aussagekräftige Ergebnisse lassen sich gemäß einer Ausführungsform mit oszillierender Schwenkbewegung oder linearer Oszillationsbewegung dadurch erreichen, dass bei der Analyse wenigstens ein Asymmetrieparameter (Asymmetrieindikator) ermittelt wird, der eine systematische Asymmetrie des Signalverlaufsanteils bezüglich einer Nullpunktslage der oszillierenden Bewegung (Schwenkbewegung oder Linearbewegung) des Finishwerkzeugs repräsentiert.
Damit kann beispielsweise detektiert werden, ob und gegebenenfalls in welchem Ausmaß die Schwenkachse nicht ausreichend gut über der Mitte der Kugellaufbahn zentriert ist, so dass das Finishwerkzeug beim Hin- und Her-Schwenken systematisch an eine der Flanken der Rille stärker angedrückt wird als an die gegenüberliegende Flanke. Dies macht sich in einer charakteristischen Asymmetrie des periodisch variierenden Signalverlaufsanteils bemerkbar, kann quantitativ analysiert werden und als Grundlage zur automatischen Zentrierung der Schwenkachse genutzt werden, indem die axiale Relativposition zwischen Schwenkachse und Werkstück so verändert wird, dass die Asymmetrie reduziert wird, idealer Weise bis keine Asymmetrie mehr vorliegt.
Wenn eine Zuordnung der Asymmetriecharakteristika zur Schwenklage möglich ist, so kann eine Kompensationsbewegung von Beginn an in die richtige Richtung geführt werden, was für die Geschwindigkeit der Kompensation förderlich ist.
Analog könnte z.B. bei der Bearbeitung eines Kegelrollenlagerrings mittels eines linear oszillierenden Finishwerkzeugs ein fehlerhaft eingestellter Winkel erkannt werden.
Es ist auch möglich, basierend auf der Eigenrotation des Werkstücks mithilfe der Krafterfassung Geometrieinformationen über das Werkstück zu ermitteln. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass die Auswertung eine Ermittlung eines mit einer Drehfrequenz der Eigenrotation des Werkstücks im Wesentlichen periodisch variierenden Signalverlaufsanteils des Kraftsignals und eine Analyse dieses Signalverlaufsanteils umfasst. Vorzugsweise kann dadurch beispielsweise ein Geometrieparameter in Form eines Welligkeitsparameters ermittelt werden. Der Begriff „Welligkeit“ bezieht sich hier auf Abweichungen der makroskopischen Querschnittsform von einer Kreisform. Hier können Welligkeiten kleinerer Ordnung wie Ovalität (Zweiwelligkeit) oder Dreiwelligkeit oder Vierwelligkeit von Interesse sein. Es sind aber auch Welligkeiten höherer Ordnung erfassbar, z.B. Feinwelligkeiten mit zehn oder mehr Wellen, oder fünfzehn oder mehr Wellen am Umfang. Solche Feinwelligkeiten können z.B. im Hinblick auf das Problem der Geräuschentwicklung von Bedeutung sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird die Drehlage des Werkstücks während der Eigenrotation ermittelt und auf Basis der Drehlage eine ortsabhängige Analyse des Kraftsignals durchgeführt. Wenn die Drehlage des Werkstücks bekannt ist, können die Kraftsignale den zugehörigen Orten am Umfang des Werkstücks zugeordnet werden, so dass beispielsweise bei einer ermittelten Welligkeit nicht nur die Anzahl der Wellen, sondern auch deren Lage in Umfangsrichtung in Bezug auf eine Referenzdrehlage des Werkstücks festgestellt werden können.
Es ist also eine näherungsweise eindeutige Zuordnung geometrischer Besonderheiten zum Ort entlang des Umfangs möglich. Alternativ oder zusätzlich kann bei einem schraubenförmigen Verlauf einer Kugelbahn auch die axiale Position von geometrischen Besonderheiten festgestellt werden.
Bei manchen Ausführungsformen wird basierend auf dem mindestens einen Geometrieparameter wenigstens ein Betriebsparameter der Vorrichtung verändert. Wenn beispielsweise die auf Kraftmessung basierende Analyse ergibt, dass in Umfangsrichtung keine außerhalb der Toleranzen liegende Welligkeit vorliegt, obwohl die vorgesehene maximale Bearbeitungszeit noch nicht erreicht ist, so kann damit festgesellt werden, ob und ggf. wann noch vor dem angenommenen Prozessende ein Gutteil vorliegt oder nicht. Beispielsweise kann ggf. die Taktzeit individuell für jedes Werkstück optimiert werden. In manchen Fällen kann eine Kontaktzeitverlängerung vorgenommen werden, bis der Soll-Wert beispielsweise für die Welligkeit erreicht ist. Es ist jedoch auch möglich, einen Bearbeitungsprozess vorzeitig zu beenden und dadurch die Taktzeit zu verkürzen, wenn durch die Analyse festgestellt wird, dass die Werkstückgeometrie bereits innerhalb der Toleranz liegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.

1 zeigt eine schrägperspektivische Übersichtsdarstellung einer Finishmaschine zur Bearbeitung von ringförmigen Kugellagerkomponenten gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 zeigt eine schematische Ansicht des Eingriffsbereichs zwischen Werkstück und Finishstein im Bereich einer Kugellaufbahn;
3A und 3B zeigen eine schwenkende Oszillationsbewegung bei idealer Positionierung der Schwenkachse des Finishwerkzeugs in der Rillenmittte;
4 zeigt schematische Kraft-Zeit-Verläufe zu den Bearbeitungen in 3A und 3B;
5 zeigt schematisch eine Konfiguration mit Rillenversatz;
6A und 6B zeigen eine schwenkende Oszillationsbewegung bei nicht-idealer Positionierung der Schwenkachse des Finishwerkzeugs mit Versatz zur Rillenmittte;
7 zeigt schematisch einen asymmetrischen Kraft-Zeit-Verlauf zu der Bearbeitung in 6A und 6B;
8A zeigt eine schematische zeitbasierte Darstellung eines ungefilterten Kraftsignalverlaufs (oben) und eines gefilterten Kraftsignalverlaufs (unten), 8B zeigt jeweils eine frequenzbasierte Darstellung der Signalverläufe auf 8A;
9A und 9B zeigen eine Anwendung einer frequenzspezifischen Auswertung für den Fall der Detektion eines Rillenversatzes, wobei 9A den theoretischen Idealfall ohne Mittenversatz und 9B entsprechende Diagramme für eine Situation mit Rillenversatz;
10 zeigt eine schrägperspektivische Übersichtsdarstellung einer Finishmaschine zur Bearbeitung von Werkstücken mit schraubenförmig umlaufender Kugellaufbahn (z.B. Kugelumlaufspindeln oder Lenkzahnstangen) gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Kraftaufnehmer, der zwischen Finishstein und Werkzeughalter angeordnet ist;
12A und 12B zeigen schematisch die Finishbearbeitung eines Innenrings eines Schrägkugellagers und in 12B die Finishbearbeitung eines Innenrings eines Rollenlagers.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 zeigt eine schrägperspektivische Übersichtsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Finishmaschine 100, die zur Bearbeitung von Wälzkörperlaufbahnen in Gestalt von Kugellaufbahnen an Komponenten von Kugellagern ausgelegt und eingerichtet ist.
Die Finishmaschine 100 ist eine computernumerisch gesteuerte Feinbearbeitungsmaschine mit mehreren steuerbaren Maschinenachsen, einem Antriebssystem mit mehreren, zum Teil elektrischen Antrieben zum Antreiben der Maschinenachsen und einer Steuereinrichtung 200 zur koordinierten Ansteuerung von Arbeitsbewegungen oder anderen Aktionen der Maschinenachsen. Zur Veranschaulichung von Aufbau und Funktion ist ein mit Kleinbuchstaben x, y und z gekennzeichnetes, rechtwinkliges Maschinenkoordinatensystem MK mit einer vertikalen z-Achse und horizontalen x- und y-Achsen gezeigt.
Von den maschinenfesten Koordinatenachsen sind die nachfolgend noch erläuterten Maschinenachsen zu unterscheiden. Der Begriff „Maschinenachse“ bezeichnet dabei eine bewegliche Einrichtung, die durch mindestens einen Antrieb, z.B. einen elektromechanischen, elektrohydraulischen oder elektropneumatischen Antrieb in wenigstens einem mechanischen Freiheitsgrad bewegt werden kann. Es kann sich um eine translatorische Maschinenachse handeln, die beispielsweise einen linear beweglichen Schlitten bewegt, oder um eine rotatorische Maschinenachse, beispielsweise mit einer Spindel, die um eine Spindelachse drehbar ist. Eine Maschinenachse kann entweder ein Werkzeug oder ein Werkstück bewegen. Bei computernumerisch gesteuerten Maschinen spricht man auch von NC-Achsen. Vorzugsweise handelt es sich um geregelt betreibbare Maschinenachsen. Dazu sind Gebersysteme (z.B. Positionsgeber an translatorischen Maschinenachsen, Drehgeber für rotative Maschinenachsen) vorhanden, die der Steuereinheit 200 über einen Rückkopplungskanal die jeweils aktuell vorliegende Stellung einer Maschinenachse durch entsprechende Gebersignale melden können, so dass in der Steuereinheit jederzeit Maschinendaten über den aktuellen Zustand der überwachten und gesteuerten Komponenten Finishvorrichtung vorliegen.
Das Werkstück 110 ist im Beispielsfall ein Innenring für ein Kugellager. An der radialen Außenseite des ringförmigen Werkzeugkörpers ist eine in Umfangsrichtung ringförmig geschlossen verlaufende Rille 115 mit einem im Wesentlichen halbrunden Querschnittsprofil ausgebildet. Genauer gesagt hat die Rille ein durchgehend kreisbogenförmiges, konkaves Querschnittsprofil, das etwas weniger als einen exakten Halbkreis bildet. Der Krümmungsmittelpunkt KM liegt außerhalb des Werkstücks zentrisch zur Rille (vgl. 2). Die Rille soll als Kugellaufbahn 115 des Kugellagers dienen und wurde in einem vorgeschalteten Prozess vor Beginn der Finishbearbeitung z.B. durch Schleifen oder Hartdrehen vorbearbeitet, um die Makroform vorzugeben. Mithilfe des Finishens soll nun im Wesentlichen die Oberflächengüte der Kugellaufbahn u.a. zur Erhöhung des Traganteils des Rauheitsprofils verbessert werden und es sollen ggf. auch kleinere Verbesserungen der Makroform (insbesondere Rundheit, Welligkeit und Querform) erreicht werden.
Das Werkstück 110 ist rotationssymmetrisch in Bezug auf seine Werkstückachse 112 und ist mit vertikaler Ausrichtung Werkstückachse 112 an der ebenen Oberseite einer Werkstückaufnahmeeinrichtung 120 eingespannt, die einen Zentrierdorn aufweist. Die zentrale Achse der kreisförmig umlaufenden Kugellaufbahn 115, die hier als Laufbahnachse bezeichnet wird, fällt mit der Werkstückachse 112 zusammen. Das Werkstück liegt mit einer seitlichen Planfläche 113 auf der ebenen Oberseite auf. Diese Planfläche des Werkstücks dient als Bezugsfläche zur Finishvorrichtung 100 bzw. zur Finishmaschine. Die Werkstückaufnahmeeinrichtung kann mit Hilfe eines elektromotorischen Drehantriebs (Servomotor) um eine parallel zur z-Richtung orientierte, vertikale Rotationsachse ROT unbegrenzt gedreht werden. Die Drehzahl bzw. Drehfrequenz und die Drehrichtung dieser rotatorischen Maschinenachse kann basierend auf Eingaben eines Bedieners durch die Steuereinheit 200 vorgegeben werden.
Es gibt auch nicht-rotationssymmetrische Werkstücke, bei denen die Mittenachse der Wälzkörperlaufbahn (d.h. die Laufbahnachse) nicht mit einer Werkstückachse zusammenfällt. Im Allgemeinen wird das Werkstück so aufgenommen, dass die Mitte der umlaufenden Wälzkörperlaufbahn auf der Rotationsachse der Werkstückaufnahme liegt.
Zur Bearbeitung wird ein Finishwerkzeug 180 in Form eines Finishsteins 180 verwendet. Der z.B. durch einen Sinterwerkstoff gebildete Finishstein 180 enthält eine Vielzahl von Schneidmittelkörnern, die im Beispielsfall homogen innerhalb einer Matrix aus einem Bindemittel verteilt sind. Schneidmittelkörner können beispielsweise aus Korund oder Siliziumkarbid bestehen, ggf. können es auch Diamantkörner oder Körner aus kubischem Bornitrid (CBN) sein. Als Bindemittel kommt beispielsweise ein keramischer oder ein metallischer Werkstoff in Betracht.
Der Finishstein hat eine dem Werkstück 110 zuzuwendende abrasive Arbeitsfläche 182, an welcher noch in der Bindung gebundene Schneidkörner aus der Bindung herausstehen. Die Gestalt der Arbeitsfläche eines frischen, noch unbenutzten Finishsteins kann an die Bearbeitungsaufgabe so angepasst sein, dass während der Bearbeitung zügig ein relativ großflächiger Kontakt zum Werkstück möglich ist. Dazu ist die Arbeitsfläche in einer im Wesentlichen parallel zur Werkstückachse 112 bzw. zur Rotationsachse ROT auszurichtenden ersten Richtung konvex gekrümmt, wobei der Krümmungsradius in den Größenordnungen des Krümmungsradius der im Werkstück gebildeten Rille liegt, aber nicht mit diesem identisch ist. In einer zur ersten Richtung senkrechten zweiten Richtung, die bei der Bearbeitung tangential zum Werkstück verläuft, ist die abrasive Arbeitsfläche konkav gekrümmt, so dass sie sich der in Umfangsrichtung verlaufenden Krümmung der Kugellaufbahn anpassen kann. Aufgrund der Oszillationsbewegung formen sich schnell weitere Flächen am Finishwerkzeug, die dann zusammen mit den Hauptkrümmungen die tatsächliche Kontaktfläche bilden.
Zur Aufnahme des Finishsteins an der Finishvorrichtung ist ein Werkzeughalter 170 vorgesehen, der auch als Steinhalter bezeichnet werden kann, insgesamt etwa U-förmig gestaltet ist und am freien Ende eines i.W. nach unten gerichteten Schenkels eine Werkzeugaufnahme 172 in Form einer Klemmhalterung 172 zur Aufnahme des Finishsteins 180 aufweist.
Der andere Schenkel ist mit Hilfe von vier Schrauben an der Stirnseite eines z.B. pneumatisch oder hydraulisch antreibbaren Schlittens 162 befestigt, der zu einer linearen Maschinenachse der Finishvorrichtung gehört. Diese lineare Maschinenachse ist wesentliche Komponente einer Andrückeinrichtung 160, die unten noch näher erläutert wird.
Ein Basisteil des Schlittens ist an der Stirnseite der Spindel eines Servomotors 152 befestigt, der als Oszillationsantrieb 152 einer Oszilllationseinrichtung 150 dient. Die Oszillationsbewegung ist hier eine Schwenkbewegung, daher wird der Oszillationsantrieb als Schwenkantrieb 152 und die Oszillationseinrichtung als Schwenkeinrichtung 150 bezeichnet. Diese erzeugt im Betrieb eine oszillierende Schwenkbewegung des Steinhalters 170 und damit des daran befestigten Finishwerkzeugs 180 um eine Schwenkachse SWA. Die parallel zur y-Richtung orientierte, horizontale Spindelachse des Servomotors definiert die Schwenkachse SWA der Finishvorrichtung. Der Schwenkantrieb 152 ist so ausgelegt und wird so angesteuert, dass der Steinhalter 170 eine oszillierende Schwenkbewegung um die Schwenkachse SWA ausführen kann. Dabei ist die Nulllage der Schwenkbewegung parallel zur x-Richtung orientiert, die Schwenkwinkel im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn sind der Bearbeitungsaufgabe angepasst und können beispielsweise im Bereich bis ca. ± 20° um die Nulllage liegen, z.B. bei ca. ± 3° bis ± 6° um die Nulllage.
Der oben erwähnte Schlitten 162, der den Steinhalter 170 trägt, ist eine Komponente einer Andrückeinrichtung 160 zum Andrücken des Finishsteins 180 an das Werkstück 110. Durch die Schlittenachse ist die damit erzeugbare Andrückrichtung ADR festgelegt. Die Andrückrichtung ist senkrecht zur Schwenkachse SWA orientiert und oszilliert mit der Oszillationsbewegung der Spindel des Schwenkantriebs 152.
Der Schwenkantrieb 152 ist an einem vertikal verfahrbaren Schlitten (NC-Vertikalschlitten) 132 einer linearen Maschinenachse 130 befestigt, die es erlaubt, die Höhe der Schwenkachse SWA in z-Richtung mittels Steuersignalen der Steuereinheit 200 präzise einzustellen.
Die Komponenten des NC-Vertikalschlittens sind auf einem parallel zur x-Richtung horizontal verfahrbaren Schlitten (Horizontalschlitten) 142 einer weiteren linearen Maschinenachse 140 montiert. Damit kann die Position des Steinhalters bzw. des Finishsteins in x-Richtung verändert werden, insbesondere zur Anpassung der Vorrichtung an Werkstücke mit unterschiedlichen Rillendurchmessern.
Beim Einrichten der Finishmaschine 100 für einen Finishprozess wird ein Finishstein 180 mithilfe der Komponenten der klemmend wirkenden Werkzeugaufnahme 172 in den Steinhalter eingebaut und die horizontalen und vertikalen Maschinenachsen werden so verfahren, dass der Finishstein 180 bzw. seine abrasive Arbeitsfläche 182 im Bereich der zu bearbeitenden Rille in Eingriff mit dem Werkstück kommen.
Für die Finishbearbeitung wird das Werkstück dann in eine Eigenrotation um die vertikale Werkstückdrehachse 112 versetzt, die hier mit der Mittenachse der umlaufenden Kugellaufbahn identisch ist. Dieser relativ schnell rotierenden Werkstückbewegung (Drehzahlen können z.B. im Bereich von 1000 Umin^-1 bis 6000 u min^-1 liegen) wird eine Arbeitsbewegung des Finishwerkzeugs 180 überlagert. Diese Werkzeugbewegung ist eine hin- und her oszillierende Schwenkbewegung des Steinhalters 170 um die Schwenkachse SWA über einen vorgebbaren Winkelbereich um die Nulllage. Die Schwenkfrequenz kann z.B. im Bereich einiger hundert Hz liegen.
Um ausreichend Materialabtrag zu erzielen, wird der Finishstein 180 mit Hilfe der Andrückeinrichtung 160 mit einer über die Steuereinrichtung vorgebbaren Andrückkraft an die Werkstückaußenfläche angerdrückt. Die Andrückkraft kann nominell im Wesentlichen konstant sein. Da der pneumatische Antrieb zum Andrücken des Finishsteins an der Stirnseite der Spindel des Schwenkantriebs 150 befestigt ist, oszilliert die senkrecht zur Schwenkachse SWA ausgerichtete Andrückrichtung ADR gemeinsam mit dem Finishstein 180.
Die Finishvorrichtung ist mit einem Kraftaufnehmer 190 bzw. Kraftsensor 190 ausgestattet, der es erlaubt, die durch Andrücken des Finishwerkzeugs 180 an das Werkstück erzeugten Reaktionskräfte in der Nähe des Wirkbereichs, also in der Nähe der Kontaktzone zwischen Werkstück und Finishwerkzeug kontinuierlich zu erfassen und entsprechende Kraftsignale zu erzeugen, die diese Reaktionskräfte repräsentieren und an die Steuereinrichtung übertragen werden. Der Kraftaufnehmer ist nahe beim Finishstein 180 zwischen diesem und der mit einer Klemmeinrichtung ausgestatteten Werkzeugaufnahme 172 angeordnet. Ein Beispiel für eine Klemmhalterung mit einem zwischen Klemmeinrichtung und Finishstein geschaltetem Mehrkomponenten-Kraftaufnehmer wird im Zusammenhang mit 11 noch näher erläutert. Diese Anordnung kann auch hier vorgesehen sein. Alternativ kann z.B. ein Kraftaufnehmer, z.B. ein Einkomponenten-Kraftaufnehmer, an anderer Stelle, z.B. am oder im Werkzeughalter oder zwischen dem Oszillationsantrieb und dem Gestell der Vorrichtung vorgesehen sein.
Eine in die Steuereinrichtung 200 integrierte Auswerteeinrichtung 210 ist durch entsprechende Hardware und/oder Software dazu konfiguriert, in einem Betriebsmodus die Kraftsignale des Kraftaufnehmers zu empfangen und zeitaufgelöst auszuwerten. Dabei ist die Auswertegeschwindigkeit so groß, dass pro Schwingungsperiodendauer des Schwenkantriebs (Zeit für einmaliges Hin- und Her-Schwenken) eine Vielzahl von Datenpunkten aufgenommen und verarbeitet werden können. Dabei wird das Nyqvist-Shannon-Abtasttheorem zuverlässig erfüllt, die Abtastfrequenz liegt meist mindestens eine Größenordnung (Faktor 10) über der Oszillationsfrequenz.
Die Auswerteeinrichtung 210 ist mittels entsprechender Software und/oder Hardware dazu konfiguriert, daraus mindestens einen Geometrieparameter zu ermitteln. Ein Geometrieparameter kann beispielsweise Informationen zur Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Kugellaufbahn 115 beschreiben. Alternativ oder zusätzlich kann ein Geometrieparameter einen geometrischen Bezug zwischen der Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Kugellaufbahn und der Position der Schwenkachse SWA parametrisieren. Daraus können ggf. Positionsfehler zwischen Werkstück und Werkzeug quantitativ erfasst und in der Folge korrigiert werden.
Anhand der folgenden schematischen Figuren werden nun Erläuterungen zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des Ausführungsbeispiels und einiger seiner Vorteile gegeben.
2 zeigt eine schematische Ansicht des Eingriffsbereichs zwischen Werkstück 110 und Finishstein 180 im Bereich einer Kugellaufbahn bzw. Rille 115 in einer Blickrichtung parallel zur Schwenkachse SWA des Finishsteins 180 und senkrecht zur Rotationsachse 112 des Werkstücks. Die 2, 3A und 3B beziehen sich auf einen Idealfall einer perfekt eingerichteten Finishvorrichtung, bei der die axiale Position der Schwenkachse SWA in Axialrichtung des Werkstücks zentriert über der Kugellaufbahn so angeordnet ist, dass die Schwenkachse, also der zentrale Punkt der Schwenkbewegung des Finishwerkzeugs, im Wesentlichen mit dem Krümmungsmittelpunkt KM des kreisbogenförmigen Querschnittsprofils P1 der Kugellaufbahn zusammenfällt. Der Pfeil FA repräsentiert die immer senkrecht zur Schwenkachse SWA des Finishsteins wirkende Andrückkraft FA, die beispielsweise über den Druck des pneumatischen Antriebs der Andrückeinrichtung 160 eingestellt werden kann. Der Pfeil FR veranschaulicht die durch den Kontakt zum Werkstück erzeugte Reaktionskraft FR, deren Wirkung vom Kraftsensor kontinuierlich erfasst werden kann.
Die 3A veranschaulicht die Verhältnisse in diesem Idealfall während der winkelmäßig begrenzten Schwenkbewegung des Finishsteins. Der Finishstein oszilliert mit seiner Schwenkfrequenz zwischen der linken Oszillations-Endposition und der rechts gezeigten Oszillations-Endposition bei einem Schwenkwinkelbereich von beispielsweise ± 10° oder weniger um die Nulllage der Schwenkbewegung, die in einer x-y-Ebene liegt. Aufgrund der Symmetrie der Eingriffsbedingungen an den beiden Seiten bzw. Flanken und in der Mitte ergeben sich im linken und rechten Endbereich der Schwenkbewegung sowie in der Mitte etwa gleich große Reaktionskräfte, eine leichte Fluktuation kann sich ergeben, da die Größe der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück dabei variieren kann. Unter diesen perfekten Bedingungen erzeugt der Finishstein also im Wesentlichen für alle Schwenkwinkel nahezu konstante oder nur leicht variierende Reaktionskräfte, die durch den Kraftaufnehmer zeitaufgelöst erfasst werden können.
Die 3B veranschaulicht die Bearbeitung einer Kugellaufbahn mit gotischem Profil P2. Hier sind die Reaktionskräfte am linken und rechen Flanken größer als in der Mitte.
4 zeigt ein schematisches Kraft-Zeit-Diagramm von Kraftverläufen der Reaktionskraft im Falle eines halbrunden Profils P1 gemäß 3A (Kurve FP1) und eines gotischen Profils P2 gemäß 3B (Kurve FP2). Gezeigt sind die resultierenden zeitlichen Verläufe desjenigen Signalanteils des Kraftsignals, der mit der Schwenkfrequenz f_SW über der Zeit t fluktuiert. Die zugehörige Periodendauer T = 1/f_SW kann z.B. im Bereich weniger Millisekunden (ms) liegen, z.B. bei ca. 2 ms. Bezogen auf die Nulllage der Schwenkbewegung (Andrückkraft senkrecht zur Rotationsachse des Werkstücks) sind die maximalen Amplituden des Kraftsignals links und rechts im Wesentlichen gleich und der zeitliche Kraftverlauf KR ist annähernd sinusförmig. Dabei ist die Schwankungsbreite der Kraft beim gotischen Profil höher als beim kreisbogenförmigen Profil.
Derartige (ideale) Kraftverläufe stellen sich im Wesentlichen nur dann ein, wenn eine ideale Symmetrie des Werkstücks und auch eine ideale axiale Positionierung des Finishwerkzeugs in Bezug auf die zu bearbeitende Kugellaufbahn vorliegen. Solche Situationen treten in der Praxis nur selten auf, beispielsweise wenn ein sehr erfahrener Bediener Zeit genug für das Einrichten hat. Grundsätzlich liegen aber häufiger mehr oder weniger starke Abweichungen von dieser ideal symmetrischen Situation vor. Zu den Gründen für solche Abweichungen zählen Werkstücktoleranzen, die Abrichtzyklen von Schleifwerkzeugen, die zur Vorbearbeitung des Werkstücks benutzt wurden, Verschleißerscheinungen, temperaturbedingte Änderungen und nicht zuletzt die Präzision beim Einrichten der Maschine. In der Praxis ist also mit deutlichen Abweichungen von der idealen Konfiguration zu rechnen.
In 5 ist beispielhaft ein häufig auftretendes Problem dargestellt, nämlich das des „Rillenversatzes“ RV. Dies bedeutet, dass die axiale Position der Schwenkachse SWA (also die Position der Schwenkachse SWA in einer parallel zur Werkstückrotationsachse orientierten Richtung) nicht ausreichend genau mit dem Krümmungsmittelpunkt KM der zu bearbeitenden Kugellaufbahn zusammenfällt. Solche Rillenversätze können beispielsweise in der Größenordnung von 5µ bis 15µ oder darüber liegen.
Im Beispielsfall der 5 ist ein Versatz des Finishsteins 180 gegenüber der Kugellaufbahn 115 nach links dargestellt. Dies führt bei der Zustellung unter anderem dazu, dass der Finishstein zunächst an der links gezeigten Flanke der Rille angreift. Durch ungleichen Abrieb am Finishstein kann dieses Problem recht schnell reduziert werden, es bleiben aber unerwünschte Geometrieabweichungen.
Anhand der 6A, 6B und 7 wird nun erläutert, welchen Einfluss die nicht-ideale Konfiguration von 5 (Rillenversatz) beim Finishen auf den mit Hilfe des Kraftaufnehmers 190 erfassten Kraftverlauf hat. 6A zeigt den Finishstein in seiner linken Oszillations-Endposition, 6B an der rechten Oszillations-Endposition. Beim Herauflaufen in die linke Endposition (6A) steigen die Kräfte schneller und stärker an als auf der gegenüberliegenden Seite, so dass sich eine Asymmetrie des Kraftverlaufs einstellt.
Die Kraftpfeile FA und FR haben die gleiche Bedeutung wie im idealen Fall. Die Reaktionskräfte an den seitlichen Flanken sind ungleich.
Diese Asymmetrie im Kraftverlauf ergibt sich, weil die maschinenseitige Schwenkachse SWA gegenüber der Idealposition (Krümmungsmittelpunkt KM der Kugellaufbahn) nach links versetzt ist. Die Asymmetrie im Kraftverlauf ist ein Indikator für das Vorliegen eines Rillenversatzes, wobei das Ausmaß der Asymmetrie mit der Größe des Rillenversatzes korreliert. Durch Ermittlung eines Geometrieparameters, der die Asymmetrie quantitativ beschreibt (Asymmetrieparameter) erhält man eine quantitative Information über den Rillenversatz.
Über die Orientierung des Finishsteins bei Auftreten des relativ größeren Wertes der Reaktionskraft kann unmittelbar aus dem Kraftverlaufssignal erkannt werden, in welche Richtung die Schwenkachse gegenüber der zu bearbeitenden Kugellaufbahn versetzt ist. Eine Korrektur kann dann gleich von Anfang an in die richtige Richtung laufen.
Die Kraftsignale werden in der Auswerteeinrichtung 210 verarbeitet, darauf basierend werden Steuersignale zur Korrektur des Rillenversatzes ausgegeben. Die Finishvorrichtung führt eine automatische Zentrierung der axialen Position der Schwenkachse SWA gegenüber der bearbeiteten Kugellaufbahn auf Basis des Geometrieparameters bzw. des Asymmetrieparameters durch. Dazu wird im Beispielsfall der NC-Vertikalschlitten 132 parallel zur Rotationsachse ROT verfahren, um die Position der Schwenkachse SWA zur Minimierung eines Rillenversatzes automatisch auf die axiale Rillenmitte einzustellen. Danach wird die Bearbeitung unter optimierten Bedingungen fortgeführt.
Nachfolgend werden anhand der 8 und 9 vorteilhafte Möglichkeiten zur Signalverarbeitung und Auswertung der Kraftsignale erläutert. 8A zeigt in der oberen Teilfigur schematisch den zeitlichen Verlauf des von Kraftaufnehmer erzeugten analogen Kraftsignals SIG in einem Kraft-Zeit-Diagramm.
Da während eines realen Bearbeitungsprozesses der Kraftaufnehmer alle an seinem Einbauort auftreten Kräfte erfasst, ist der Verlauf des rohen analogen Kraftsignals (Rohsignal) in der Regel nur schwer zuverlässig interpretierbar. Das Rohsignal wird daher einer Signalvorbereitung SV unterzogen, um technisch unplausible Signalanteile durch geeignete Filterung zu eliminieren oder zu unterdrücken. Im Rahmen einer Signalvorbereitung können durch entsprechende Filterung z.B. Signalanteile beseitigt oder unterdrückt werden, die auf Regelprozesse bei der Achsbewegung oder auf Artefakte des Abtastens des Rohsignals zurückgehen, so dass für die weitere Analyse gefilterte Kraftsignale SIG zur Verfügung stehen, die im Wesentlichen den interessierenden Kraftverlauf repräsentieren, also einen plausiblen Datensatz bilden und dadurch einen logischen Zustand beschreiben. Diese Filterung kann z.B. nach Art einer Tiefpassfilterung durchgeführt werden. Die untere Teilfigur zeigt den zeitlichen Verlauf des gefilterten Kraftsignals, welches der weiteren Auswertung zugrunde gelegt wird.
Die Signalauswertung umfasst eine frequenzspezifische Analyse der messtechnisch erfassten (und gefilterten) Signale. Im Beispielsfall umfasst die Auswerteeinrichtung 210 hierzu ein Softwaremodul, welches über die Bearbeitungszeit eine Vielzahl von schnellen Fouriertransformationen (FFT) des gefilterten Kraftsignals zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchführt und deswegen auch als FT-Modul bezeichnet wird. Diese Art der Auswertung realisiert ein Verfahren der spektralen Verteilungsfunktion und erfasst auch die allmähliche Veränderung der FFT-Amplituden über die Zeit infolge des fortschreitenden Materialabtrags. Die 8B veranschaulichen das gesammelte Endergebnis.
Dadurch wird das zeitabhängige Kraftsignal im Hinblick auf Signalanteile analysiert, die mit gewissen Frequenzen auftreten. Bei den Frequenzen kann es sich insbesondere um die Schwenkfrequenz und/oder um die Drehfrequenz handeln.
Zur Veranschaulichung zeigt 8B in den beiden Teilfiguren jeweils eine vereinfachte frequenzbasierte Darstellung derjenigen Signale, die 8A in der zeitbasierten Darstellung dargestellt sind. Die frequenzbasierte Darstellung (das Frequenzspektrum) kann durch Fourier Transformation aus den zeitbasierten Signalen gewonnen werden. Auf der Abszisse ist die Frequenz f aufgetragen, d. h. Kehrwert der Periodendauer T, auf der Ordinate die Amplitude A desjenigen Signalanteils, der mit der entsprechenden Frequenz im Gesamtsignal beiträgt.
In der unteren Teilfigur von 8B ist zusätzlich auf einer dritten Achse das von der Zeit t abhängige Kraftsignal SIG dargestellt. Dadurch wird veranschaulich, dass sich bei diesem Verfahren der spektralen Verteilungsfunktion das Fourier-Spektrum A(f) als Resultat einer Vielzahl schneller Fourier Transformation FFT1 (t₁), FFT2(t₂), FFT3(t₃)... etc ergibt, die zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t₁, t₂, t₃ ... etc. ermittelt wurden.
Es ist erkennbar, dass durch eine Frequenzfilterung im Rahmen der Signalvorbereitung diejenigen Frequenzanteile im Spektrum unterdrückt werden, die mit hoher Wahrscheinlichkeit auf Störungen und Artefakte, beispielsweise durch Abtasteffekte, entstehen. Nach dieser Filterung verbleiben Signalanteile, die im Beispielsfall durch zwei dominierende Frequenzen charakterisiert sind. Die niedrigere Frequenz f_D entspricht der Drehzahl bzw. der Drehfrequenz der Werkstückrotation und die höhere Frequenz entspricht der Schwenkfrequenz f_SW der oszillierenden Werkzeugbewegung um die Schwenkachse.
Zur vereinfachenden Veranschaulichung wird der weiteren Analyse im folgenden Beispiel nur derjenige Signalanteil zugrunde gelegt, der zu einer Frequenz gehört, die der Schwenkfrequenz des Finishsteins entspricht. Es wird also ein Signalanteil identifiziert, der im Wesentlichen periodisch variiert und dessen Frequenz der Schwenkfrequenz entspricht. Dem liegt die Erkenntnis der Erfinder zugrunde, dass wiederkehrende gleichgerichtete Signale, die im Rhythmus der Schwenkbewegung variieren, mit hoher Wahrscheinlichkeit der Geometrie am Umfang des Werkstücks zugeordnet werden können. Daraus kann ein Geometrieparameter gewonnen werden.
Anhand von 9 wird nun die Anwendung einer frequenzspezifischen Auswertung für den Fall der Detektion eines Rillenversatzes näher erläutert. Dabei repräsentiert 9A in den nebeneinander liegen Teilfiguren den theoretischen Idealfall ohne Mittenversatz, während 9B die entsprechenden Diagramme für eine Situation mit Rillenversatz zeigen.
Die linke Teilfigur von 9A zeigt ein Zeitfenster des Kraftverlaufs des gefilterten Kraftsignals. Dabei betreffen die X-Symbole jeweils die Situation am linken Umkehrpunkt der Schwenkbewegung, die Kreissymbole den Positionen am gegenüberliegenden Rand. Die gesamte Schwankungsbreite ΔN1 der Kräfte ist relativ gering. Das rechts gezeigten Frequenzspektrum wird durch zwei dominierende Amplituden gekennzeichnet, wobei die niedrigere Frequenz f_D zur Werkstückrotation und die höhere Frequenz f_SW zur oszillierenden Schwenkbewegung gehört.
In 9B ist der Fall mit Rillenversatz und entsprechend asymmetrischen Kräfteverlauf dargestellt. Die gemessene Kraft ist bei Erreichen der der Schwenkachse näher liegenden Flanke (Kreis-Symbole) signifikant höher als an der gegenüberliegenden Seite, so dass sich die zu diesen Schwenkpositionen gehörenden Kraftsignale auf zwei deutlich unterschiedlichen Niveaus (mit Schwankungsbreite ΔN2 > ΔN1) liegen.
Diese Asymmetrie der Kräfte an den Rändern der Rille macht sich im Frequenzspektrum dadurch bemerkbar, dass im Vergleich zum symmetrischen Fall bei der Schwenkfrequenz weitere Amplituden auftauchen. Genauer gesagt entsteht an der dominierenden Frequenz f_SW des Schwenkbewegung ein Zwillingspaar ZW ungleicher Zwillinge, also zwei unterschiedlich hohe Amplituden im Bereich der zugehörigen Frequenz. (Die Zwillinge sind aus Darstellungsgründen nebeneinander dargestellt, tatsächlich liegen sie übereinander bei f_SW)
Die Entstehung derartiger Zwillinge mit ungleich hohen Amplituden in der frequenzbasierten Darstellung wird als Signatur bzw. Fingerprint für das Vorliegen eines Mittenversatz angesehen. Tritt ein Mittenversatz auf, so muss sich in der Signalanalyse diese Zwillingsbildung zeigen. Eine solche Zwillingsbildung (weitere Amplitude bei derselben Frequenz f_SW) wird bei der Auswertung als notwendige Bedingung für das Vorliegen eines Rillenversatzes angesehen.
Mit anderen Worten: ein Kräfteungleichgewicht an gegenüberliegenden Flanken einer Kugellaufbahn aufgrund eines Mittenversatzes macht sich systematisch dadurch bemerkbar, dass (i) im Bereich der entsprechenden Schwingungsfrequenz im Spektrum eine weitere Amplitude auftaucht, so dass ein Zwillingspaar mit zwei Amplituden entsteht und dadurch, dass (ii) diese zusammengehörigen Amplituden unterschiedliche Intensitäten bzw. Amplituden haben.
Diese Merkmale des Spektrums können quantitativ ausgewertet werden. Sie tragen Information zum Kräfteungleichgewicht und zu Ausmaß und Richtung des Mittenversatzes in sich. Daraus werden Parameter berechnet, die eine Asymmetrie anzeigen und daher auch als Asymmetrieparameter bezeichnet werden. Die entsprechenden Daten werden der Regelung zur Verfügung gestellt.
Die Asymmetrie wird quantitativ ausgewertet und gibt Auskunft über Ausmaß und Richtung des Rillenversatzes. Daraus kann das System einen Korrekturwert errechnen, der angibt, in welchem Ausmaß und in welche Richtung das Werkstück und/oder das Werkzeug parallel zur Werkstückrotationsachse relativ zum anderen Teil verfahren werden muss, um den Rillenversatz auszugleichen und dadurch möglichst symmetrische Bearbeitungsverhältnisse zu erreichen. Im Beispielsfall wird die axiale Relativposition zwischen Werkzeug (Schwenkachse) und Werkstück durch Ansteuern des Vertikalschlittens 132 so verändert, dass eine Zentrierung der Schwenkachse SWA über der Kugellaufbahn 115 erfolgt und somit das Kräfteungleichgewicht verschwindet.
Die hier beschriebene automatische Zentrierung der Schwenkachse SWA gegenüber der zu bearbeitenden Kugellaufbahn 115 basiert auf Geometrieparametern, die durch Analyse des zeitlichen Verlaufs des Kraftsignals resultieren. In diesem Beispiel repräsentieren die Geometrieparameter den jeweils aktuellen Rillenversatz nach Ausmaß und Richtung. Die Zentrierungsoperation läuft vollautomatisch ohne Eingriff eines Bedieners ab. Aufgrund der automatischen Detektion der Rillenmitte kann der Einrichtprozess schnell und zielgerichtet zu einem in Rahmen der Toleranzen optimal zentrierten Werkzeug führen. Auch während der Bearbeitung kann sich das Werkzeug immer automatisch zur Kugelumlaufbahn zentrieren, sobald sich signifikante Asymmetrien im Kraftverlauf ankündigen, wodurch die geometrischen Toleranzen der Kugellaufbahn systematisch genau eingehalten werden können. Eine 100 %ige Kraftkontrolle erhöht auch die Maschinensicherheit. Schließlich können auch die Werkzeugkosten reduziert werden, da das notwendige Selbstabrichten des Finishwerkzeuges bei Vorliegen von Rillenversatz nicht oder nicht in dem Ausmaß nötig ist, wenn das Finishwerkzeug optimal zur Umlaufbahn zentriert ist.
Die Funktionalität der automatischen Zentrierung eines Finishwerkzeugs in Bezug auf die zu bearbeitende Kugellaufbahn ist ein Beispiel für eine kraftgesteuerte Positionsregelung. In diesem Fall wird basierend auf dem Kraftsignal die Position des Werkstücks in Bezug auf die (unveränderte) Lage der Schwenkachse in der Maschine durch Ansteuern der linearem Maschinenachse 130 mit Vertikalschlitten 132 so verändert, dass die am Umfang des Werkstücks verlaufende Kugellaufbahn in Bezug auf das Finishwerkzeug zentriert ist.
Das Kraftsignal kann auch im Hinblick auf Signalanteile ausgewertet werden, die zu einer Frequenz gehören, die der Drehfrequenz des Werkstücks entsprechen. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Geometrieparameter ermittelt werden, der eine eventuelle Welligkeit des Kugelbahn Verlaufs in Umfangsrichtung quantifiziert. Vorzugsweise wird dabei ein absolutes Drehgeber Signal abgefragt berücksichtigt, aus dem die aktuelle Drehstellung des Werkstücks hervorgeht. Damit können die Kraftsignale auch ihrem Entstehungsort entlang des Umfangs der Kugellaufbahn zugeordnet werden.
In einer idealisierten Frequenzbetrachtung würde sich eine Dreiwelligkeit über den Umfang dadurch bemerkbar machen, dass die Drehung nicht nur eine Amplitude bei der Drehfrequenz f_D erzeugt, sondern eine weitere Amplitude beim Dreifachen dieser Frequenz, also bei 3*f_D, da die Kraft bei einer vollen Drehung theoretisch drei Maxima (in Bereichen mit Ausbeulung) und drei dazwischenliegende Minima der Kraft durchläuft. Dies ist in Fig, 9B angedeutet.
Eine deutliche Verbesserung der Zuverlässigkeit und Aussagekraft von Messwerten lässt sich dadurch erreichen, dass zusätzlich zur zeitaufgelösten Auswertung eine ortsaufgelöste Auswertung des Kraftsignals erfolgt. Dadurch kann unter anderem berücksichtigt werden, dass während der Finishbearbeitung die zu bearbeitenden Kugellaufbahn nicht nur einmal, sondern vielfach vom oszillierend Finishwerkzeug überfahren wird. Bei Kugellagerkomponenten können typischerweise mehrere hundert oder mehrere tausend Überläufe vorgesehen sein, bei Kugelgewindetrieben ist die Zahl der Überläufe meist geringer, z.B. in der Größenordnung von zehn bis zwanzig. Dabei werden theoretisch für jeden Ort der Werkstückoberfläche mehrere Kraftsignale erfasst. Die ortsaufgelöste Auswertung kann diese vielen Kraftsignale ortsspezifisch auswerten. Dabei können dann z.B. Kraftspitzen, die systematisch bei jedem Überlauf an demselben Oberflächenort entstehen, auf eine tatsächlich vorhandene lokale Unregelmäßigkeit der Oberfläche zurückgeführt werden. Wird dagegen bei hunderten von Überläufen an einem bestimmten Ort nur einmal oder zweimal näherungsweise ein Kraftmaximumsignal erzeugt, während bei der Vielzahl anderer Überläufe die Stelle unauffällig glatt erscheint, so sind die Kraftmaxima höchstwahrscheinlich voraussichtlich nicht einer Oberflächenunregelmäßigkeit geschuldet, sondern gehen auf andere Ursachen zurück. Eine ortsaufgelöste Auswertung kann somit Pseudoereignisse ausschließen und dadurch das Messergebnis insgesamt rückführbar machen.
Um eine Datenbasis für die ortsaufgelöste Auswertung zu erhalten, werden Kraftsignale, die während der Bearbeitung an nacheinander überfahren Orten einer Werkstückoberfläche erfasst werden, den jeweils korrespondierten Ortskoordinaten in einem Werkstückkoordinatensystem zugeordnet. Dies ist möglich, da Information über die Drehlage des Werkstücks während der Eigenrotation über die Drehgebersignale des Drehantriebs jederzeit verfügbar ist und im Falle der Bearbeitung von Kugelgewindetrieben auch die axiale Position des Finishwerkzeug währen der Bearbeitung über einen Positionsgeber eine lineare Maschinenachse abfragt werden kann.
In 11 ist ein Beispiel für ein Werkstückkoordinatensystem WK gezeigt. Darin sind die Ortskoordinaten einer Stelle auf der Werkstückoberfläche durch die Axialposition in z-Richtung, den radialen Abstand R eines Oberflächenpunkts von der Werkstückachse und die Position in Umfangsrichtung durch den Winkel Phi gegeben. Auch ein kartesisches Koordinatensystem wäre möglich.
Anhand von 10 und 11 wird nun ein Ausführungsbeispiel einer Finishmaschine 300 erläutert, die für die Bearbeitung von Werkstücken 310 konfiguriert ist, die wenigstens über einen Teil ihrer Länge eine schraubenförmig umlaufende Kugellaufbahn aufweisen. Dazu gehören z.B. Kugelumlaufspindeln oder Lenkzahnstangen, die einen Verzahnungsabschnitt mit einer Lenkverzahnung sowie einen Spindelabschnitt nach Art einer Kugelumlaufspindel aufweisen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden Komponenten, die strukturell und/oder funktional ähnlich zu entsprechen Komponenten des ersten Ausgangsbeispiels sind, den gleichen Bezugszeichen, erhöht um 200, bezeichnet.
Das langgestreckte Werkstück 310 ist im Beispielsfall eine Lenkzahnstange mit Kugelgewindeabschnitt 314. Es wird hier mit horizontaler Werkstückachse 312 zwischen Spitzen einer (nicht näher dargestellten) Werkstückaufnahmeeinrichtung eingespannt. Das Werkstück hat einen nicht dargestellten Verzahnungsabschnitt, der in einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt übergeht, an den sich ein Kugelumlaufabschnitt anschließt, in welchem eine nach Art einer Rille ausgebildete Kugellaufbahn 315 schraubenförmig um die Werkstückachse 312 herum am Werkstückumfang verläuft. Im Gegensatz zur Kugellaufbahn eines Wälzlagerringes hat die Kugellaufbahn hier eine Steigung, verläuft also nicht in einer zur Werkstückrotationsachse senkrechten Ebene, sondern schräg dazu.
Solche Kugellaufbahnen haben in der Regel ein gotisches Querschnittsprofil, um zu erreichen, dass zwischen Kugellaufbahn und Kugeln lediglich an jeder Flanke ein Punktkontakt entsteht, so dass sehr gute Laufeigenschaften mit exakter Führung und eine Erhöhung der axialen Kraftaufnahmefähigkeit erzielt werden können. Ein gotisches Profil (auch Spitzbogenprofil genannt, vgl. 3B) hat zwei konkav und kreisbogenförmig gekrümmte Flanken, die am Grund der Kugellaufbahn unter Bildung einer spitzen Unstetigkeit zusammenlaufen. Die Krümmungsmittelpunkte RML und RMR der linken bzw. der rechten Flanke liegen in einem Mittelpunktsbereich eng beieinander, der Bereich kann vereinfachend als Krümmungsmittelpunkt der Kugellaufbahn angesehen werden. Auch gotische Profile werden in dieser Anmeldung als „im Wesentlichen halbrunde Profile“ bezeichnet.
Im Unterschied zum ersten Ausgangsbeispiel hat diese Finishvorrichtung zwei Schwenkeinrichtungen 350-1, 350-2, deren Schwenkachsen SWA1 und SWA2 in einem Winkel von ca. 40° bis 60° zueinander ausgerichtet sind. Diese sind in einem horizontal verfahrbaren Grundgestell 305 montiert, welches auf einem nicht dargestellten NC-Horizontalschlitten befestigt ist. Während die erste Schwenkachse SWA1 schräg zur Horizontalebene verläuft, liegt die zweite Schwenkachse SWA2 in der Horizontalebene. Damit kann die schraubenförmige umlaufende Kugellaufbahn gleich an zwei in Umfangsrichtung und Axialrichtung leicht versetzten Stellen finishend bearbeitet werden. Der axiale Abstand der Schwenkachsen kann beim Einrichten mittels eines Handrads manuell eingestellt werden.
Die pneumatisch arbeitenden Andrückeinrichtungen 360-1, 362-2 sind ähnlich oder identisch zur Andrückeinrichtung 160 konfiguriert. Die Schwenkeinrichtungen und deren Antriebe sowie die pneumatisch arbeitenden Andrückeinrichtungen 360-1, 362-2 haben im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie diejenigen beim ersten Ausführungsbeispiel, weshalb auf die dortige Beschreibung verwiesen wird. Es gibt eine manuell mittels Handrads verstellbare Winkeleinstelleinrichtung, die es bei jeder der Finisheinheiten erlaubt, die Orientierung der Schwenkachse aus der y-z-Ebene herauszubewegen, um die Finishstein-Orientierung an den schrägen Verlauf der schraubenförmigen Rille anzupassen.
Da sich schraubenförmig umlaufende Kugellaufbahnen 315 an Kugelgewindetrieben über größere Axialabschnitte des Werkstücks erstrecken können, gibt es zur Steigungsverfolgung während der Werkstückrotation eine translatorische NC-Maschinenachse 330 mit parallel zur Rotationsachse der Werkstückaufnahme orientierter Verschieberichtung und entsprechend großem linearen Hub. Diese NC-Maschinenachse umfasst einen Horizontalschlitten 332, der das Grundgestell 305 trägt, in welchem die Komponenten der Schwenkeinrichtungen, der Andrückeinrichtungen etc. montiert sind.
Auch diese Finishvorrichtung ist für eine kraftgesteuerte Positionsregelung konfiguriert, die ähnlich arbeitet wie im ersten Ausführungsbeispiel. Nach dem manuellen Einrichten der Finishmaschine wird der Finishprozess eingeleitet. Zu Beginn werden die Finishsteine zugestellt und es findet, wie oben beschrieben, eine automatische Zentrierungsoperation statt, um basierend auf Kraftsignalen die Finishsteine möglichst gut im zugewandten Abschnitt der Kugelumlaufbahn zu zentrieren.
Bei weiter rotierendem Werkstück folgen die Finishsteine dann zueinander synchron dem Steigungsverlauf, wozu der NC-Horizontalschlitten 332 langsam in achsparalleler Richtung (x-Richtung) verfährt. Entspricht die Steigung der erwarteten Steigerung, sollte die Zentrierung der Finishsteine erhalten bleiben. Bei eventuellen Abweichungen, etwa weil ein Werkstück einer anderen Charge mit etwas anderer Schraubengeometrie eingelegt wurde, werden sich signifikante Änderungen im Kraftsignal ergeben, deren Auswertung zu seinem Warnsignal führen kann. Damit ist auch eine automatische Werkstücktyperkennung möglich. Außerdem wird analog zum obigen Beispiel die Werkstückgeometrie in Umfangsrichtung z.B. auf Welligkeiten überprüft. Es können auch eventuelle Defekte in der Kugellaufbahn detektiert werden.
Anhand von 11 wird nun ein Beispiel für die Art und Anordnung eines Kraftsensors 400 erläutert. Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine Werkzeughalteeinrichtung in Form einer Klemmeinrichtung 372 im Bereich des freien Endes eines Steinhalters 370. Die Schnittebene der Darstellung steht senkrecht auf der Schwenkachse SWA, die am Finishstein 380 wirkende Andrückkraft FA wirkt in dieser Ebene in Längsrichtung des Finishsteins. Im massiven Endabschnitt des Steinhalters ist eine von oben nach unten durchgehende, rechteckige Aussparung vorgesehen, die an den senkrecht zur Klemmkraftrichtung FK liegenden Seiten durch massive Wandabschnitte 374-1, 374-2 begrenzt ist. An der dem Finishstein zuzuwendenden Innenseite des rechts erkennbaren Wandabschnitts 373-1 ist eine im Querschnitt etwa kreisförmige Aussparung vorgesehen, in die ein Kraftsensor 400 eingesetzt. Dessen (in Klemmrichtung gemessene) Höhe ist größer als die Tiefe der Aussparung, so dass die dem Finishstein zugewandte Seite über die Innenwand hinausragt. Mit dieser Seite stützt sich der Kraftsensor gegen Verrutschen gesichert an der rechten Klemmplatte 373-1 ab. Diese stützt sich mit der gegenüberliegenden Seite an einer Seite des Finishsteins 380 ab. Zwischen der ersten Klemmplatte 373-1 und der zugewandten Seite des Kraftsensors liegt ein hoher Reibungskoeffizient vor, so dass diese Klemmplatte gegenüber dem Kraftsensor nicht verrutschen kann. Eine Klemmplatte kann auch entfallen oder als integraler Bestandteil des Kraftsensors ausgelegt sein.
Im verstärkten Wandabschnitt 374-2 der gegenüberliegenden Seite ist an der Innenseite eine Aussparung vorgesehen, in der ein verbreiterter Andrückfuß einer Klemmschraube 378 sitzt. Der Fuß stützt sich an der Außenseite der Klemmplatte 373-2 ab, deren gegenüberliegende Fläche sich am Finishstein abstützt. Durch Anziehen der Klemmschraube 378 wird der Finishstein 380 zwischen den Klemmplatten 371-1, 371-2 eingespannt.
Die Klemmkraft FK wirkt dabei parallel zu einer ersten Sensitivitätsrichtung SR1 des Kraftsensors 400, der somit u.a. die Klemmkraft messen kann.
An der gegenüberliegenden Seite liegt zwischen der Außenseite der Klemmplatte 373-2 und dem Fuß 377 der Klemmschraube nur ein geringer Reibungskoeffizient vor, so dass eine relative Verschiebung in Andrückrichtung ADR leicht möglich ist. Bei anderen Ausführungsformen stützt sich die Klemmschraube 377 über Rollen an der zweiten Klemmplatte 373-2 ab, so da nur ein geringer Rollwiderstand in Andrückrichtung wirkt.
Der Kraftsensor 400 ist ein Mehrkanal-Kraftsensor. Eine zweite Sensitivitätsrichtung SR2 verläuft senkrecht zur ersten Sensitivitätsrichtung SR1 parallel zur Richtung der Andrückkraft FA. Damit können in dieser Richtung wirkende Scherkraftkomponenten erfasst werden. In der ersten Sensitivitätsrichtung SR1 können auch Kraftkomponenten erfasst werden, die auf Kippmomente zurückgehen, welche durch Verkippung des Finishsteins 380 relativ zum Steinhalter 370 um eine senkrecht zur Schwenkachse verlaufende Richtung verursacht werden.
Der Kraftsensor 400 ist im Kraftfluss zwischen der Wirkzone des Finishsteins (Kontaktzone zwischen Finishstein und Werkstück) einerseits und der Andrückeinrichtung 360 andererseits eingefügt, und zwar zwischen dem Finishstein 380 und dem Steinhalter 370. Diese Position sehr nahe am Entstehungsort der Reaktionskräfte ermöglicht es, Kraftänderungen und Kraftänderungskomponenten im Eingriffsbereichs zwischen Werkstück und Werkzeug nahezu verzögerungsfrei und ohne substanzielle Dämpfung zwischen Entstehungsort und Messort hochpräzise zu erfassen.
Diese Kraftmessung ist nicht auf eine substanzielle Verformung des Steinhalters angewiesen, der entsprechend sehr verwindungssteif und biegesteif ausgelegt werden kann, was wiederum der Unmittelbarkeit der Kraftübertragung zwischen Andrückeinrichtung 360 und Finishstein 380 zugutekommt.
Anstelle eines mehrkanaligen Kraftsensors können auch zwei, drei oder mehr Einkanal-Kraftsensoren vorgesehen sein, die die interessierenden Kräfteänderungen in unterschiedlichen Richtungen hochgenau erfassen können.
Generell sollte die Andrückkraft möglichst so erzeugt werden, dass keine Querkräfte entstehen. Dadurch entsteht eine direkt messbare Reaktionskraft in einer Kraftrichtung an einer Messstelle im Kraftfluss, welche dafür vorzugsweise in Wirkrichtung angeordnet ist. Alternativ kann die Reaktionskraft auch indirekt bzw. nicht fluchtend zur Wirkrichtung gemessen werden. Dazu sollten drei oder mehr synchron auswertbare Kraftmessstellen vorgesehen sein, sodass die einzelnen Kraftrichtungen zu einem Kraftvektor über bekannte Hebellängen umgerechnet werden können. Die Wirkkraft ergibt sich dann über geometrische Berechnungen aus den einzelnen gemessenen Kräften. Durch den Aufbau und eventuelle Hebelsteifigkeiten bedingte Dämpfungen können dabei über Proportionalfaktoren kompensiert werden.
Wichtige Aspekte einiger Ausführungsformen der Erfindung und wurden bisher anhand der Bearbeitung von Kugellaufbahnen mit im Wesentlichen halbrundem Querschnittsprofil erläutert. Die Anwendbarkeit der Erfindung ist jedoch darauf nicht beschränkt. Es können auch Wälzkörperlaufbahnen mit anderer Querschnittsgestalt gefinisht werden, die Wälzkörper müssen nicht kugelförmig sein. Es können z.B. Laufbahnen für Schrägkugellager (vgl. 12A), Rollenlager (vgl. 12B), oder Kegelrollenlager unter Nutzung der Vorteile der Erfindung bearbeitet werden.
Schrägkugellager sind Kugellager, bei denen der Lagerquerschnitt im Bereich der Kugellaufbahn LB unsymmetrisch gestaltet ist. Schrägkugellager sollen Kräfte aufnehmen können, deren Wirkungslinie nicht exakt senkrecht zur Achse verlaufen, sondern schräg in einem bestimmten Winkel zur senkrechten Achse. Dazu ist im Bereich der Wirkungslinie die Schulter stärker um die Kugel herum ausgebildet. (vgl. 12A). Schräg wirkende Lasten können so besser aufgenommen werden. Die gegenüberliegende Lagerschulter ist im Sinne einer einfachen Montage deutlich schwächer ausgebildet. Hier kann die Bearbeitung mit verschwenkbarem Finishwerkzeug 190 erfolgen, die Nulllage NL der Schwenkbewegung wird aber vorzugsweise nicht senkrecht, sondern schräg zur Laufbahnachse LBA (z.B. in 30° bis 60° Winkel dazu) orientiert sein.
Rollenlager haben im Gegensatz zu Kugellagern zylindrische Wälzkörper, welche sich besonders für höhere Lasten bei verhältnismäßig geringeren Umdrehungszahlen eignen. Die Rollen bieten eine größere Kontaktfläche zwischen Wälzkörperoberfläche und Laufbahn als bei Kugellagerungen. Wie 12B zeigt, weist die Laufbahn LB einen mehr oder weniger breiten zylindrisch gekrümmten Teil ZT auf. Bei Kegelrollenlagern haben die Laufbahnen einen mehr oder weniger breiten konisch gekrümmten Teil. In diesen Fällen werden in der Regel Oszillationseinrichtungen genutzt, die eine lineare Oszillationsbewegung des Finishwerkzeugs WZ (Finishstein oder Finishband) parallel zur Mantellinie (siehe Doppelpfeil OSZ) des zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Teils erzeugen können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014222848 B4 [0009]
DD 234388 A1 [0012]
DE 3030703 A1 [0013]

Claims

Finishverfahren zur Finishbearbeitung eines Werkstücks mit wenigstens einer um eine Laufbahnachse umlaufenden Laufbahn für Wälzkörper mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Finishwerkzeugs, welches eine abrasive Arbeitsfläche aufweist; Anbringen des Finishwerkzeugs an einen Werkzeughalter; Erzeugen einer Eigenrotation des Werkstücks um eine Laufbahnachse mit einer Drehfrequenz; Erzeugen einer der Eigenrotation des Werkstücks überlagerten und mit einer Oszillationsfrequenz oszillierenden Oszillationsbewegung des Werkzeughalters; Andrücken des Finishwerkzeugs mit einer Andrückkraft in einer Andrückrichtung an die Werkstückoberfläche derart, dass die abrasive Arbeitsfläche im Bereich der Laufbahn am Werkstück angreift; gekennzeichnet durch Kontinuierliches Erfassen eines durch die Andrückkraft verursachten Kraftsignals innerhalb eines Erfassungszeitraums, der teilweise oder vollständig mit einem Bearbeitungszeitraum der Finishbearbeitung überlappt, und zeitaufgelöstes Auswerten des Kraftsignals zur Bestimmung mindestens eines Geometrieparameters, der (i) eine Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Laufbahn und/oder (ii) einen geometrischen Bezug zwischen der Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Laufbahn und einer Position einer Oszillationseinrichtung repräsentiert.
Finishverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück eine Laufbahn in Form einer Kugellaufbahn für kugelförmige Wälzkörper aufweist, insbesondere eine Kugellaufbahn mit im Wesentlichen halbrunden Querschnittsprofil, und dass die Oszillationsbewegung eine oszillierende Schwenkbewegung des Werkzeughalters mit einer vorgebbaren Schwenkfrequenz um eine Schwenkachse umfasst, die im Wesentlichen durch ein Krümmungszentrum eines Profils der Kugellaufbahn führt, wobei vorzugsweise die Andrückkraft senkrecht zur Schwenkachse orientiert ist.
Finishverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der zeitaufgelösten Auswertung des Kraftsignals eine ortsaufgelöste Auswertung des Kraftsignals erfolgt, indem bei der Bearbeitung an nacheinander überfahrenen Orten einer Werkstückoberfläche erfasste Kraftsignale korrespondierenden Ortskoordinaten in einem Werkstückkoordinatensystem zugeordnet werden, wobei vorzugsweise eine Drehlage des Werkstücks während der Eigenrotation ermittelt und auf Basis der Drehlage eine ortsabhängige Analyse des Kraftsignals durchgeführt wird.
Finishverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine kraftgesteuerte Axialpositionsregelung, worin eine axiale Relativposition zwischen einer Oszillationseinrichtung und dem Werkstück, insbesondere zwischen der Schwenkachse und dem Werkstück, in Abhängigkeit von dem mindestens einen Geometrieparameter automatisch verändert wird, indem das Werkstück und/oder eine den Werkzeughalterhalter tragende Oszillationseinrichtung, insbesondere Schwenkeinrichtung, in Abhängigkeit von dem Kraftsignal in einer parallel zur Laufbahnachse verlaufenden Richtung verlagert wird.
Finishverfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine automatische Zentrierung der axialen Position der Schwenkachse gegenüber der bearbeiteten Kugellaufbahn auf Basis des Geometrieparameters, wobei vorzugsweise die Position der Schwenkachse zur Minimierung eines Rillenversatzes automatisch auf eine axiale Rillenmitte eingestellt wird und/oder bei der Bearbeitung von Kugelgewindespindeln eventuelle Steigungsfehler automatisch erkannt und während der Bearbeitung selbsttätig kompensiert werden.
Finishverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitaufgelöste Auswertung eine frequenzspezifische Auswertung des Kraftsignals umfasst, wobei vorzugsweise bei der Auswertung Verfahren der spektralen Verteilungsfunktion verwendet werden.
Finishverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung eine Ermittlung eines mit der Oszillationsfrequenz, insbesondere der Schwenkfrequenz, im Wesentlichen periodisch variierenden Signalverlaufsanteils des Kraftsignals und eine Analyse dieses Signalverlaufsanteils umfasst, wobei vorzugsweise bei der Analyse wenigstens ein Asymmetrieparameter ermittelt wird, der eine systematische Asymmetrie des Signalverlaufsanteils bezüglich einer Nullpunktslage der oszillierenden Bewegung, insbesondere einer Schwenkbewegung, des Finishwerkzeugs repräsentiert.
Finishverfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung eine Ermittlung eines mit einer Drehfrequenz der Eigenrotation des Werkstücks im Wesentlichen periodisch variierenden Signalverlaufsanteils des Kraftsignals und eine Analyse dieses Signalverlaufsanteils umfasst, wobei vorzugsweise bei der Analyse wenigstens ein Welligkeitsparameter ermittelt wird.
Finishverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine richtungsselektive Erfassung von Kraftkomponenten in zwei oder mehr quer, insbesondere senkrecht zueinander orientierten Sensitivitätsrichtungen.
Finishvorrichtung (100, 300) zur Finishbearbeitung eines Werkstücks (110) mit wenigstens einer um eine Laufbahnachse umlaufenden Laufbahn (115, 315) für Wälzkörper, umfassend: eine Werkstückaufnahmeinrichtung (120) zum Aufnehmen des Werkstücks; einen Drehantrieb zur Erzeugung einer Eigenrotation des in der Werkstückaufnahmeeinrichtung aufgenommenen Werkstücks um die Laufbahnachse mit einer vorgebbaren Drehfrequenz; einen Werkzeughalter (170, 370) zur Aufnahme eines Finishwerkzeugs (180, 380), das eine abrasive Arbeitsfläche (182, 382) aufweist, eine Oszillationseinrichtung (150, 350) mit einem Oszillationsantrieb (152) zur Erzeugung einer Oszillationsbewegung des Werkzeughalters mit einer vorgebbaren Oszillationsfrequenz; einer Andrückeinrichtung (160) zum Andrücken des Finishsteins an das Werkstück mit einer vorgebbaren Andrückkraft (FA) in einer Andrückrichtung (ADR); eine Steuereinheit (200) zum Steuern des Drehantriebs, des Oszillationsantriebs, der Andrückeinrichtung und weiterer steuerbarer Einrichtungen der Vorrichtung; gekennzeichnet durch einen Kraftaufnehmer (400) zur kontinuierlichen Erfassung von durch Andrücken des Finishwerkzeugs (180, 380) an das Werkstück erzeugten Reaktionskräften und zur Erzeugung eines die Reaktionskräfte repräsentierenden Kraftsignals; eine Auswerteeinrichtung (210) zum zeitaufgelösten Auswerten des Kraftsignals zur Bestimmung mindestens eines Geometrieparameters, der (i) eine Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Laufbahn (115, 315) und/oder (ii) einen geometrischen Bezug zwischen der Werkstückgeometrie im Bereich der bearbeiteten Laufbahn und einer Position der Oszillationseinrichtung repräsentiert.
Finishvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oszillationseinrichtung eine Schwenkeinrichtung (150, 350) mit einem Oszillationsantrieb in Form eines Schwenkantriebs (152) zur Erzeugung einer oszillierenden Schwenkbewegung des Werkzeughalters mit einer vorgebbaren Schwenkfrequenz um eine Schwenkachse (SWA) aufweist und die Andrückeinrichtung ausgebildet ist, eine senkrecht zur Schwenkachse orientierte Andrückkraft zu erzeugen.
Finishvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (200) konfiguriert ist, wenigstens eine steuerbare Einrichtung der Finishvorrichtung in Abhängigkeit von dem Geometrieparameter zu steuern, wobei vorzugsweise die Finishvorrichtung eine lineare Maschinenachse (130) zur Änderung einer axialen Relativposition zwischen der Oszillationseinrichtung, insbesondere der Schwenkachse (SWA), und dem Werkstück in einer parallel zur Werkstückachse verlaufenden Verschiebungsrichtung aufweist und die Steuereinheit (200) konfiguriert ist, diese Maschinenachse in Abhängigkeit von dem Geometrieparameter zu steuern.
Finishvorrichtung (100, 300) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Finishvorrichtung Einrichtungen für eine automatische Rillenmittenerkennung und/oder Einrichtungen für das Erkennen und Kompensieren von Steigungsfehlern an Kugelgewindetrieben aufweist.
Finishvorrichtung (100, 300) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (210) ein FT-Modul zur Ermittlung eines mit der Oszillationsfrequenz, insbesondere der Schwenkfrequenz, und/oder mit der Drehfrequenz im Wesentlichen periodisch variierenden Signalverlaufsanteils des Kraftsignals und eine Analyse dieses Signalverlaufsanteils aufweist.
Finishvorrichtung (100, 300) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kraftaufnehmer (400) im Bereich einer Finishwerkzeug-Aufnahme des Werkzeughalters zwischen dem Finishwerkzeug, insbesondere einem Finishstein (380), und dem Werkzeughalter (380) angeordnet ist.
Finishvorrichtung (100, 300) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für eine richtungsselektive Erfassung von Kraftkomponenten in zwei oder mehr quer, insbesondere senkrecht zueinander orientierten Sensitivitätsrichtungen ein Mehrkomponenten-Kraftaufnehmer oder eine Gruppe von Kraftaufnehmern mit zwei, drei oder mehr unterschiedlichen Sensitivitätsrichtungen vorgesehen ist.
Finishvorrichtung (100, 300) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (200) in wenigstens einen Betriebsmodus dazu konfiguriert ist, die Finishvorrichtung derart zu steuern, dass ein Finishverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchgeführt wird.