DE19738818A1 - Formgeregeltes Feinstbearbeitungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur formgeregelten Feinstbearbeitung des Maßes, der Form und Oberfläche von Werkstücken. Insbesondere betrifft sie solche Verfahren, die über einen elektronischen Regelmechanismus eine Anpreßkraft und/oder eine Wegzustellung von spanabhebenden, auf einem Werkzeugträger angebrachten, Bearbeitungselementen regeln. Die Veränderung der Anpreßkraft bzw. der Wegzustellung erfolgt dabei vorzugsweise durch einen Piezoaktor, ist aber nicht auf diesen beschränkt. Es kommen auch hydraulische, pneumatische und elektromechanische Antriebe in Betracht.

Feinstbearbeitungsverfahren dienen zur Regelung der Bearbeitung von Maschinenteilen, die in engen Toleranzbereichen gefertigt werden müssen. Dies gilt insbesondere für die Bereiche des Werkstückes, die in in Kontakt mit Gleitlagern stehen oder Passungen entsprechen müssen.

Eine Möglichkeit der Herstellung hoher Maß-, Form- und Lagetoleranzen ist die manuelle Bearbeitung der Werkstücke. Hierbei wird das Werkstück vermessen und anschließend eine Bearbeitung durchgeführt. Dieser Vorgang wird wiederholt bis der angestrebte Bereich von Maß-, Form- und Lagetoleranz erreicht ist. Dieses Verfahren ist mit einem hohem Zeitaufwand und Kosten verbunden, da in den Zeiträumen der Maßfeststellung das Werkstück nicht bearbeitet wird. Zudem ist die erzielte Maß- und Formgenauigkeit von der Person des Bearbeitenden abhängig und somit nicht sicher reproduzierbar.

Eine weitere Methode ist die maschinelle Bearbeitung. Hierbei ist bei großen Werkstücken, die Einhaltung enger Toleranzbereiche problematisch. Eine wesentliche Ursache dieses Pro­ blems sind die Toleranzen in den Lagerungen von Feinstbearbeitungsmaschinen. Deren Lagertoleranzen sind im allgemeinen umso größer, je größer die maximal zu bearbeitenden Werkstücke sind. Die Ungenauigkeiten der Lager in Form von Rundheits-, Rundlauf-, Form-, Lagerfehlern und Nachgiebigkeiten dieser Werkzeugmaschinen bilden sich auf dem zu bearbeitendem Werkstück als Maß-, Form-, Lage- und Oberflächenfehler ab. Das kann dazu führen, daß die erforderliche Güte der Werkstückbearbeitung durch aufwendige Nachbearbeitung hergestellt werden muß.

Eine weitere Möglichkeit ist die Abbildung von Modellen durch das Werkstück. Hierbei wird ein Modell der angestrebten Form angefertigt. Dieses Modell wird direkt, indem es z. B. mit einem Schleifmittel verbunden wird oder indirekt über eine Kopiervorrichtung auf dem Werkstück abgebildet. Die Genauigkeit der bearbeiteten Fläche hängt von der Güte des Modells ab. Des weiteren wird für jede Variation der Form eine gesonderte Musterform benötigt. Verschleißt das Bearbeitungselement über eine gegebene Grenze hinaus, muß der Bearbeitungsprozeß unterbrochen werden um z. B. ein neues Schleifband auf einer Formbacke anzubringen. Die Bearbeitung kann also nicht in einem kontinuierlichem Prozeß erfolgen. Des weiteren bedingt die, für diese Art der Bearbeitung charakteristische, flächenmäßige Kontaktfläche die Bearbeitung von Werkstücksegmenten, die nach Form und Oberfläche bereits den angestrebten Toleranzbereichen entsprechen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Auswirkungen der Lagerungenauigkeiten und sonstiger Maschineneinflüsse auf die angestrebte Form und Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes zu minimieren und reproduzierbare Bearbeitungsprozesse zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 erfüllt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, zur formgeregelten Feinstbearbeitung der gesamten oder von Teilen der radial oder axial orientierten Oberfläche von Werkstücken. Kern der Erfindung ist ein Regelmechanismus, der in Abhängigkeit der Maß- und Formabweichung die Andruckkraft bzw. die Wegzustellung des Bearbeitungselements zum Werkstück regelt und somit den Abtrag am Werkstück bestimmt.

Das Verfahren, bzw. in ihrer Funktion auf dem Verfahren basierende Vorrichtungen, sollen dabei ebenso bei der Nachrüstung bereits existierender Maschinen, als auch als Kernelement eigenständiger Werkzeugmaschinen eingesetzt werden können. Die Bearbeitung des Werkstückes soll dabei exakt an den Stellen erfolgen, die noch nicht den Erfordernissen nach Maß- und Formhaltigkeit genügen. Dabei soll ein geschlossener Kraftfluß (Bearbeitungselement-Werkstück-Gegenlager-Halterung-Werkzeugträger- Bearbeitungselement) durch das Kontaktelement aufgebrachte Bearbeitungskräfte aufnehmen und so eine elastische Deformation des Werkstückes verhindern. Der kontinuierliche Bearbeitungsprozeß soll exakt zu dem Zeitpunkt abgebrochen werden, an dem die geforderte Werkstückqualität nach Form, Maß und Oberfläche erreicht ist. Der Bearbeitungsprozeß soll in seinem Verlauf und Ergebnis automatisch dokumentierbar sein, so daß kein zusätzlicher Nachweis der Bearbeitungsqualität auf externen Prüfeinrichtungen erforderlich ist. Ferner soll der Bearbeitungsvorgang auf der Grundlage eines Prozeßmodells geregelt werden. Über das Prozeßmodell werden die Vorgabewerte für das Regelsystem, unter Berücksichtigung der für die Bearbeitung entscheidenden Parameter wie z. B. Werkstoff, Werkstoffhärte, Formabweichung, Andruck und Abtrag, ermittelt.

Eine Feinbearbeitungsvorrichtung nach dem Prinzip des beschriebenen Verfahrens besteht aus einer Einspannvorrichtung zur Lagerung des Werkstückes, einem oder mehreren Meßköpfen, einem oder mehreren Bearbeitungsköpfen, einer Einrichtung zur Führung der Bearbeitungs-, bzw. Meßköpfe, einer Datenverarbeitungseinheit und einer Regelungseinheit. Der Meß- und der Bearbeitungskopf können zu einer Baueinheit zusammengefaßt sein.

Der Bearbeitungskopf und der Meßkopf werden entlang einer vorgegebenen Führungsbahn, relativ zum in der Einspannvorrichtung fixierten Werkstückes, geführt. Dabei besitzen die auf dem Meß/ Bearbeitungskopf angebrachten Kontaktelemente Verbindung zur Oberfläche des Werkstückes. Durch den geschlossenen Kraftfluß vom Kontaktelement über das Werkstück zurück zum Kontaktelement wird eine von Maschinenungenauigkeiten unabhängige Messung und Bearbeitung des Werkstückes gewährleistet. Der Meßkopf ermittelt während der Bewegung die Maß-/Formabweichung. Diese Meßwerte werden an die Datenverarbeitungseinheit übermittelt. In der Datenverarbeitungseinheit werden aus diesen Werten segmentweise oder kontinuierlich die Form- und Lageabweichungen der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes ermittelt. Diese Ist-Werte werden mit den eingespeicherten Soll-Werten des Werkstücksegmentes verglichen. Befinden sich die Kontaktelemente des Bearbeitungskopfes an dem entsprechendem Werkstücksegment, der zu bearbeitenden Oberfläche, wird ein Signal von der Regeleinheit an den Bearbeitungskopf gesendet. In dem Bearbeitungskopf befinden sich Stellglieder. Diese werden über die Auswirkungen des Signals in ihrer Ausdehnung beeinflußt. Die Anpresskraft wird dabei ermittelt. Innerhalb der Regeleinheit besteht eine genau definierte Beziehung zwischen der, durch die Ausdehnung des Ausdehnelemente erzeugten, Anpreßkraft und der Abweichung der Werkstückform von der Soll-Geometrie. Ist in einzelnen Sektoren Materialabtrag erforderlich, wird ein Signal erzeugt, welches eine Wegzustellung bewirkt. Die Wegzustellung kann dabei durch eine Bewegung des Werkzeugträgers oder durch eine Bewegung des Werkstückes oder durch eine Kombination dieser Bewegungen erfolgen. Durch die Zustellung erhöht sich die Anpreßkraft oder die Position des auf dem Bearbeitungskopf angebrachten Kontaktelementes, das eine punkt-, eine linienförmige oder eine flächenhafte Kontaktstelle zu dem zu bearbeitendem Werkstück aufweist. Der Materialabtrag wird in diesem Falle erhöht. Ist in einem anderem Segment der Werkstückoberfläche der Soll-Wert bereits erreicht, wird die Anpreßkraft bzw. der Zustellweg entsprechend den Vorgaben reduziert.

Ein konkretes Ausführungsbeispiel liefert die folgende Beschreibung, einer in den Zeichnungen schematisch dargestellten formgeregelten Feinstbearbeitungseinrichtung.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer teilweise schematisierten Darstellung einer auf dem erfindungsgemäßen Verfahren basierenden Feinstbearbeitungsvorrichtung mit der zugehörigen Regeleinrichtung.

Fig. 2 ein Prozeßmodell, das als theoretische Basis zur Ermittlung der Vorgabewerte für den erfindungsgemäßen Regelungs- und Bearbeitungsprozeß, verwendet werden kann.

Der Werkzeugträger (1) der Feinstbearbeitungsvorrichtung ist mittels einer Halterung (2) mit dem Grundgestell der Feinstbearbeitungsmaschine verbunden.

Der Werkzeugträger (1) weist Vorrichtungen auf, an dem zum einem ein Schleifkörper (3) zum anderem ein abstützendes Gegenlager (4) angebracht sind.

Der Werkzeugträger (1) ist weiterhin mit einer einer Meßeinrichtung versehen. Diese besteht aus einem Feintaster (5) oder einem anderen Feinmeßsystem und Abstützelementen (6). Gemäß dieser symmetrischen oder asymmetrischen Anordnung erhalten Werkstücke, beispielsweise Kurbelwellen, auf ihrer zylindrischen Mantelfläche ihre endgültigen Maße nach Form und Lage.

In der dargestellten Ausführung der Feinstbearbeitungsmaschine erfolgt eine konstante Rotation, der in einem Spannfutter (7) eingespannten Welle (8) um ihre Längsachse. Während dieser Zeit ermittelt der Feintaster (5) Differenzen in der Werkstückgeometrie. Dabei stellt die Anordnung der Abstützelemente (6) sicher, daß Ungenauigkeiten, die durch maschinenseitige Einflüsse, wie etwa Lagertoleranzen oder Ungenauigkeiten der Fixierung des Spannfutters (7) in ihrer Bedeutung ausgeschaltet oder zumindest erheblich reduziert werden. Die vom Feintaster (5) registrierten Werte werden an eine Regeleinrichtung (9) übermittelt. In dieser wird ermittelt, welche Differenzen zwischen Ist- und Sollwert des aktuell gemessenen Segments bestehen. Erreicht das gemessene Segment in der Rotationsbewegung die Kontaktfläche zu dem Bearbeitungselement, in diesem Falle den Schleifkörper (3), wird der Anpreßdruck des Schleifkörpers (3) auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche entsprechend der Abweichung variiert.

Claims (9)

1. Verfahren zur formgeregelten Feinstbearbeitung von Werkstücken mit dem Zweck der Erzeugung eines nach Maß und/oder Form und/oder Oberfläche definierten Endbearbeitungszustandes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelmechanismus die Kraft und/oder die Wegzustellung von spanabhebenden, auf einem Werkzeugträger angebrachten, Bearbeitungselementen, in Abhängigkeit von der in-Prozeß ermittelten Maß-, Form und/oder Lageabweichung der Werkstückgeometrie, während des Feinstbearbeitungsvorganges, kontinuierlich regelt.

2. Verfahren zur formgeregelten Feinstbearbeitung nach Anspruch 1, das Verknüpfungen zwischen Lage-, Maß und Formabweichungen des Werkstückes, Abtrag am Werkstück und Anpreßdruck des Werkzeuges zur Regelung des Bearbeitungsprozesses nutzt, dadurch gekennzeichnet, daß, ein vorbestimmtes oder während der Bearbeitung ermitteltes Prozeßmodell oder die Kombination eines vorbestimmten mit einem während der Bearbeitung ermittelten Prozeßmodells Grundlage der Regelung des Bearbeitungsvorganges ist.

3. Verfahren zur formgeregelten Feinstbearbeitung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche mit dem die Bearbeitung des Werkstückes gleichzeitig an mehreren Stationen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß an Stationen gleicher oder unterschiedlicher Bearbeitungsverfahren unterschiedliche Prozeßmodelle zur Regelung des Bearbeitungsprozesses verwendet werden.

4. Verfahren zur formgeregelten Feinstbearbeitung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, das unabhängig von Rundlauf, Exzentrität und Lagerrundheit sowie steifigkeitsunabhängig von der Maschine ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Meß- und Bearbeitungssystem zur in-Prozeß Formmessung und zur Materialbearbeitung auf mehreren Punkten des Werkstückes abstützt.

5. Vorrichtung zur formgeregelten Feinstbearbeitung nach dem Verfahren eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, die eine Einspannvorrichtung zur Lagerung des Werkstückes, einen oder mehrere Meßköpfe, einen oder mehrere Bearbeitungsköpfe, eine oder mehrere Einrichtung(en) zur Führung der Bearbeitungseinheit(en) bzw. des (der) Meßköpfe(s), eine Datenverarbeitungseinheit und eine Regelungseinheit aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine bewegliche Halterung zwischen Einrichtung zur Führung des Werkzeugträgers, der Meß- und/oder Bearbeitungselemente sowie ein oder mehrere Abstützelement(e) aufweist, existiert.

6. Vorrichtung zur formgeregelten Feinstbearbeitung rotationssymmetrischer Werkstücke nach dem Verfahren und/oder der Vorrichtung eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativbewegung von Werkstück zu Bearbeitungselement eine Rotationsbewegung ist.

7. Vorrichtung zur formgeregelten Feinstbearbeitung nach dem Verfahren und/oder der Vorrichtung eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche mit der unterschiedliche Lagen, Maße, Formen und Oberflächen des Werkstückes in axialer Richtung erzeugt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Relativbewegung zwischen Werkstück und Bearbeitungselement in axialer Richtung erfolgt.

8. Vorrichtung zur formgeregelten Feinstbearbeitung nach dem Verfahren und/oder der Vorrichtung eines oder mehrerer der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß, die Zustellung und/oder die Anpreßkraft des Bearbeitungselements durch den elektrischen Impuls an einen Piezoaktor geregelt wird.

9. Vorrichtung zur formgeregelten Feinstbearbeitung nach dem Verfahren eines oder mehrerer der Ansprüche 1, 2, 3 und/oder der Vorrichtung eines oder mehrerer der Ansprüche 4, 5, 6 dadurch gekennzeichnet, daß, die Zustellung und/oder die Anpreßkraft des Bearbeitungselements durch eine elektrische, pneumatische oder hydraulische Zustelleinheit erfolgt.