DE19928500A1

DE19928500A1 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Messung von Prozess- und Werkstückkennwerten beim Schleifen von Zahnrädern

Info

Publication number: DE19928500A1
Application number: DE19928500A
Authority: DE
Inventors: Erich Ronneberger
Original assignee: Reishauer AG
Current assignee: Reishauer AG
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2019-06-23
Also published as: ITTO20000588A1; IT1320506B1; DE19928500B4; ITTO20000588A0; JP2001030112A; US6577917B1

Abstract

In einem Maschinenständer (1) ist eine Werkstückspindel (4) zum Aufspannen eines Werkstücks (6) drehbar gelagert. Eine Schleifspindel (10) zum Aufspannen einer Schleifscheibe (11) ist radial zur Werkstückspindel (4) zustellbar und in der zur Zustellrichtung senkrechten Ebene verschiebbar. Ein Sondenhalter (22) mit mehreren Messsonden (23, 24) ist mittels einer NC-gesteuerten Spindel (16) parallel zur Achse (7) verschiebbar. Mit der beschriebenen Vorrichtung kann sowohl vor dem Schleifen zum Einzentrieren als auch während (z. B. zum Vermeiden von Schleifbrand) und nach dem Schleifen (zur Endkontrolle) das Werkstück (6) vermessen werden. Das Verfahren ermöglicht eine hohe Produktivität mit kurzen Zykluszeiten und geringem Ausschuss.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine dazugehörige Vorrichtung an einem CNC-Bearbeitungszentrum vorzugsweise für die Herstellung von Verzahnungen und/oder anderen wälzfähigen Profilen sowie komplettierende Zahn- und Ergänzungsbearbeitun gen.

Es ist bekannt, dass mit dem Aufkommen von CNC-Zahnradschleif maschinen und damit insbesondere den lagegeregelten Achsen sowie moderner Sensortechnik eine beträchtliche Produktivitätserhöhung beim Zahnradschleifen erreicht wurde, die wiederum einen wach senden Bedarf nach kurzen Nebenzeiten und ein Herauslösen des Bedieners aus dem nun sehr schnellen Arbeitstakt dieser Maschi nen erzeugte. Dabei ist ein Trend zu qualitativ hochwertigen Werkstücken mit immer höherer Präzision und Formgenauigkeit zu beobachten. Neben hauptzeitverkürzenden Massnahmen wurden und werden deshalb insbesondere Werkstückwechsel und andere vorbe reitende Verrichtungen am Beginn und Ende sowie zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifoperationen zunehmend automatisiert. Mit dem einhergehenden Herauslösen des Bedieners aus dem Ar beitstakt der Maschine entfällt aber die auf Erfahrung beruhende Kontrolle des Schleifprozesses und, damit die rechtzeitige Kor rekturmöglichkeit zur Verhinderung von Bearbeitungsfehlern. So mit besteht in der neuen Technologie des automatischen Hochlei stungsschleifens ein wachsendes Risikopotential für Ausschuss bzw. Werkstückfehler, die hohe Nachbesserungskosten verursachen können.

Ausgehend von der Aufgabe des Zahnradschleifens, ist ein durch Härteverzug unterschiedliches Zahnflankenaufmass so abzuarbei ten, dass die endgültige geometrische Flankenform im Mikrometer bereich erreicht wird. Wirtschaftlichkeitsüberlegungen fordern den Materialabtrag in kürzester Zeit. Dieser wird begrenzt durch thermisch bedingte Gefügeänderungen in der Werkstückrandzone, dem sogenannten Schleifbrand. Die Ursachen dieser Erscheinung sind weitgehend erforscht.

Es sind Zahnflankenschleifmaschinen bekannt, bei denen prozess vorbereitende bzw. prozessüberwachende Funktionen als Einzelope ration automatisiert sind, z. B. das Einfädeln oder Einzentrie ren, wie das Positionieren der Zahnlücken eines Zahnrades zur erzeugenden Schleifschnecke vor Beginn des Schleifprozesses be zeichnet wird. Eine charakteristische Ausführungsform hiervon zeigt US-A 4 755 950. Merkmal dieser Lösung an einer Verzah nungs-Formschleifmaschine ist ein stationärer spezieller Taster, der in eine Zahnlücke eintaucht und auf Berührung mit einer Zahnflanke anspricht. Danach wird das Werkstück bis zur Berüh rung der zweiten Flanke verdreht. Ein Computer registriert die Kontaktpositionen und berechnet die Mittelstellung, in die das Werkstück zum Einmitten gedreht wird.

In CH 682 853 A5 wird eine Vereinfachung der Aufgabe durch Ver ringerung der durchzuführenden Bewegungen vorgeschlagen. Eine vorzugsweise Ausführung der Erfindung verwendet einen Sensor mit einer Messkugel, die entweder auf den Zahnkopf oder auf die Flanken einer Zahnlücke des Werkstücks auftrifft. Die Messkugel erfasst somit Abweichungen sowohl in radialer als auch in tan gentialer Tastrichtung. Das Tastsystem ist am Werkzeugständer angeordnet.

Im Stand der Technik wird weiterhin das vorverzahnte Werkstück mittels Lader oder von Hand auf der Werkstückaufnahme abgelegt und danach mit Arbeitsdrehzahl eine 100%-Prüfung aller rechten und linken Flanken des Zahnrades durchgeführt. Die Zahnflanken werden dabei berührungslos von einem stationären induktiven bzw. kapazitiven Aufnehmer abgetastet. Der Sensor prüft, ob das rich tige Zahnrad vorliegt und ob Abweichungen der Zahndicke und des Rundlaufs im voreingestellten Toleranzbereich liegen. In einer geeigneten Elektronik wird ein dem Zahnrad entsprechendes Muster oder Modell erstellt und auf Zahndicke, Rundlauf sowie Zähnezahl ausgewertet. Liegen die Werte innerhalb der Toleranz, wird der Drehversatz festgestellt, aufgrund dessen das automatische elek tronische Einfädeln von Werkstück und Schleifschnecke erfolgen kann.

Ein gemeinsames Merkmal der erwähnten Beispiele ist die Automa tisierung des Einzentrierens, welches vor Beginn des Schleifens vorgenommen werden muss. Ein geeigneter Sensor ist dabei in un terschiedlichen Ausführungen - berührend oder berührungslos - in der Verzahnmaschine nach speziellen Regeln angeordnet. Diese ge nannten Lösungen besitzen aber noch wesentliche Nachteile. Sie sind nur für die Einzentrieraufgabe oder die Prüfung vor dem Schleifen konzipiert. Berührende Taster erfordern ein Stillset zen der Werkstückspindel zwecks Einfahrens in die Zahnlücke, was die Zykluszeit verlängert. Damit sind zumindest diese Lösungen für das hochproduktive Zahnradschleifen nicht geeignet, da die Messung nicht bei Arbeitsdrehzahl durchführbar ist.

Mit den bekannten Anordnungsprinzipien, Einrichtungen und Ver fahren wird prinzipiell nur das Einmitten realisiert. Die Erfas sung von weiteren geometrischen und technologischen Prozessgrös sen ist während und am Ende des Schleifens nicht vorgesehen und erfordert somit weitere aufwendige Einrichtungen, die auch die Kollisionsfreiheit im Arbeitsraum grundsätzlich einschränken.

Eine andere Art von Einrichtungen wird zur Erfassung von Schleifbrand vorgeschlagen. Aus DE 195 44 620 A1 ist ein Verfah ren für das Teilwälz- und Profilschleifen bekannt, welches die Veränderung der dielektrischen Funktion im hochfrequenten Be reich durch Änderung der Kapazität eines elektrischen Schwing kreises erfasst. Der Sensor muss dazu in die Zahnlücke in Milli meterabstand zur geschliffenen Zahnflanke gefahren werden. Somit erfordert auch diese Lösung wie bei berührenden Tastern ein Stillsetzen der Werkstückspindel.

In DE 40 25 552 C1 wird vorgeschlagen, die Abstandsänderung der Stirnflächen des Werkstücks als Ersatzwert für die Temperaturer höhung und damit die Entstehung von Schleifbrand durch den Schleifprozess zu messen. Erfindungsgemäss werden auf Schleif dornen paarweise Messsysteme, vorzugsweise mit Dehnmessstreifen, als Messelement ausgeführt. Die Temperaturerhöhung beim Schlei fen verursacht nach Aussagen des Erfinders ca. 10 bis 20 Mikro meter Zahnbreitenänderung. Durch Vergleich mit einem Referenz werkstück soll bei den nachfolgend mit gleichen Schleifdaten ge schliffenen Werkstücken Schleifbrand sicher erkannt werden kön nen. Diese Methode kommt allerdings nur bei kleineren Werkstüc ken in Frage, weil bei Zahnrädern mit grosser Masse die Werk stückerwärmung durch den Schleifprozess für eine solche Messung zu gering ist.

Allgemein kennzeichnend für den Stand der Technik ist aufgrund der gefundenen Lösungen, dass für die beschriebenen Mess- und Kontrolloperationen hinsichtlich Verfahren und Vorrichtung zwar Lösungen bestehen, ihre gemeinsame Verwendung auf einer Zahn flankenschleifmaschine jedoch eine erhebliche Beengung des Ar beitsraums verursacht und zumeist einen hohen Vorrichtungs- und Messmittelaufwand sowie lange Rüst- und zusätzliche Nebenzeiten zur Folge hat.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen durch Zusam menfassung mehrerer Mess- und Kontrollfunktionen in einer auto matisierten Messvorrichtung und Mehrfachnutzung der Vorrichtung und der Messgeräte der wirtschaftliche Nutzen der Maschine er höht, die Qualität und Verfügbarkeit verbessert und der Rüstvor gang vereinfacht wird. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Auf gabe gemäss Kennzeichen der Ansprüche 1 und 10 wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher be schrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer schematisch dargestellten Zahnflankenschleifmaschine mit der erfindungsgemässen Messvorrichtung, und

Fig. 2 die Draufsicht auf das Werkstück bei eingeschwenkter Messsonde.

Im Ständer 1 der in Fig. 1 schematisch dargestellten CNC- Zahnflankenschleifmaschine 2 befindet sich der fest mit diesem verbundene Werkstückspindelträger 3, in dem die Werkstückspin del 4 mit dem mittels eines Spanndorns 5 gespannten Werkstück 6 um die Achse 7 drehbar gelagert ist. Sie wird angetrieben durch den Motor 8. Ihr Drehwinkel wird mittels Drehgeber 9 erfasst.

Die Schleifspindel 10 mit dem Schleifwerkzeug 11, einer Schleif schnecke oder Schleifscheibe, ist in bekannter Weise über den Schiftschlitten 12, den Hubschlitten 13, das Schwenkteil 14 und den Zustellschlitten 15 ebenfalls mit dem Ständer 1 verbunden, wobei die Schleifspindel 10 und die Schlitten 12, 13 und 15 von Motoren 32, 33, 34, 35 angetrieben werden und zusammen mit den zugeordneten Winkel- bzw. Positionsgebern 36, 37, 38, 39 gleich wie die Werkstückspindel mit Motor 8 und Winkelgeber 9 NC-Achsen der CNC-Steuerung 31 bilden.

Eine weitere NC-Achse bildet erfindungsgemäss eine zur Werk stückachse 7 parallel verschiebbare und um die Achse 19 schwenk bare Spindel 16, an deren oberem Ende sich der Messsondenhal ter 20 befindet. Die Verschiebebewegung wird dabei von dem Mo tor 17 mit dem Winkelgeber 18 erzeugt. Die Schwenkbewegung be wirkt vorzugsweise ein nicht dargestellter Pneumatikzylinder.

Das vordere Ende des in Längsrichtung einstellbaren Sondenroh res 21 trägt auf einem Adapter 22 eine oder mehrere vorzugsweise in Richtung der Achse 7 übereinander angeordnete Messsonden 23, 24, deren Signale über Signalkabel 25 der CNC-Steuerung 31 zuge führt werden. In der hier dargestellten Arbeitsposition befinden sich die Sensoren 23, 24 im für die Messung erforderlichen Ab stand vom Zahnradkopfkreis. Vor dem Werkstückwechsel wird der Messsondenhalter 20 nötigenfalls aus Platzgründen aus dem Werk stückbereich ausgeschwenkt.

In einer weiteren Ausführungsvariante kann auch die Schwenkbewe gung des Messsondenhalters 20 um die Achse 19 über eine NC-Achse realisiert werden, was zwar die Kosten erhöht aber den Einricht aufwand insbesondere bei seitlich zueinander versetzten Sensoren vermindert. Diese Variante ist in Fig. 1 symbolisch strichpunk tiert dargestellt mit dem drehfest aber längsverschiebbar mit der Spindel 16 verbundenen Zahnrad 42, dem damit kämmenden Rit zel 43, das durch den Motor 44 angetrieben ist, und dem Winkel geber 45.

Zur Durchführung einer Messoperation wird die Spindel 16 in eine über die Steuerung 31 vorgewählte Position gebracht und mit der eingeschwenkten Messsonde 23 oder 24 das sich drehende oder in einer vorgewählten Winkelposition stehende Werkstück 6 in einer zu seiner Drehachse senkrechten Ebenen 26, 27, 28 berührungslos abgetastet. Messgrössen, dis sich auf diese Art vor bzw. während oder zu Kontrollzwecken nach dem Schleifen des Werkstücks ermit teln lassen, sind u. a.

- die Lage und Verlagerung der oberen und unteren Stirnseite der Verzahnung,
- die Zähnezahl und der Zahnteilungsverlauf über dem Werk stückumfang,
- die Winkellage der Zahnlücken (Ein- und Nachzentrieren),
- das Zahnflankenaufmass vor dem Schleifen (Zustellungsbe grenzung),
- der Schrägungswinkel β (Messung in den Ebenen 26, 28),
- die Temperatur am Zahnkopf (Schleifbrandüberwachung),
- Vibrationen am Werkstück über Flüssigkeitsstrahl.

Diese Messgrössen dienen einerseits dem Einrichten eines neuen Werkstücks bzw. der Vorbereitung des Schleifzyklus' (z. B. Be stimmung der Hubumkehrpositionen der Schleifscheibe oder Auffin dung der Zahnlückenwinkellage gegenüber dem Schleifscheibenpro fil), andererseits der Überwachung von kennzeichnenden Prozess daten (Zahnweite, Zahnkopftemperatur usw.), deren Abweichung vom eingestellten Sollwert im automatischen Bearbeitungsprozess zur Adaption von Prozessparametern oder zum Abschalten der Maschine verwendet werden kann, um die. Produktion von Ausschuss oder Be schädigung der Maschine zu vermeiden. Dabei können die Sollwerte entweder nach der Spezifikation des Werkstücks berechnet und von Hand eingegeben oder durch die automatische Vermessung des er sten als gut erkannten Werkstücks gewonnen werden. Da der Bear beitungsprozess und der Messprozess kinematisch nicht miteinan der gekoppelt sind, können etliche dieser Messungen gleichzeitig mit Arbeitsoperationen im Schleifzyklus durchgeführt werden, so dass für sie keine zusätzliche Zykluszeit benötigt wird. Durch die kontinuierliche Überwachung können Prozessabweichungen früh zeitigverkannt und entsprechende Anpassungen der Prozessparame ter vorgenommen werden. Die erfindungsgemässe Lösung ermöglicht die Erfassung einer Vielzahl relevanter Messgrössen, ohne das knappe Platzangebot um das Werkstück zu beeinträchtigen oder die Taktzeit zu verlängern. Die Erfindung ist sowohl in der Klein- und Mittel- als auch in der Grossserienfertigung einsetzbar.

Selbstverständlich können die NC-Achsen zur Erzeugung der linea ren Relativbewegung sowie der Schwenkbewegung zwischen Schleif scheibe 11 und Werkstück 6 auch anders gelöst werden. Eine oder mehrere dieser Bewegungen können z. B. durch den Werkstückträ ger 3 ausgeführt werden.

Claims

1. Verfahren zur automatischen Erfassung und Auswertung von Prozess- und Werkstückkenndaten beim Schleifen von Zahnrädern, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines automatischen Schleifzyklus' mit einem oder mehreren Sensoren (23, 24) auf demselben Adapterkopf (22) mehrere Messungen durchgeführt wer den, wobei die für die Messungen benötigten Sensoren (23, 24) in eine Position nahe dem Zahnradkopfkreis zugestellt und mittels Verschiebung einer CNC-gesteuerten Spindel (16) parallel zur Werkstückachse (7) in die für die Messung erforderliche in der CNC programmierte Messposition gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung von Werkstück- und Prozesskennwerten vor, während und nach dem Schleifen des Werkstücks erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen mit berührungslos messenden Sensoren (23, 24) in mehreren Werkstückebenen (26, 27, 28) am Umfang des Werk stücks (6) durchgeführt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, dass sich auf dem Adapterkopf (22) zwei oder mehr Sensoren (23, 24) befinden, die für die Messung gleicher oder unterschiedlicher physikalischer Grössen bestimmt sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, dass mittels der gemessenen und in der CNC verar beiteten Daten mehrere der nachfolgend genannten Prozess- und Werkstückkennwerte ermittelt werden:

- die Lage und Verlagerung der oberen und unteren Stirnsei te der Verzahnung,
- die Zähnezahl und der Zahnteilungsverlauf über dem Werk stückumfang,
- die Winkellage der Zahnlücken (Ein- bzw. Nachzentrieren),
- das Zahnflankenaufmass vor dem Schleifen (Zustellungsbe grenzung),
- der Schrägungswinkel β (Messung in den Ebenen 26, 28),
- die Temperatur am Zahnkopf (Schleifbrandüberwachung),
- Vibrationen am Werkstück über Flüssigkeitsstrahl.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Sollwerte der erfassten Prozess- und Werkstückkennwerte berechnet oder mittels automatischer Vermes sung eines für gut befundenen Werkstücks (6) gewonnen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, dass mittels entsprechender NC-Programmierung des Schleifprozesses die Messung und Verarbeitung mindestens einiger der Prozess- und Werkstückkennwerte gleichzeitig mit anderen Prozessschritten des Schleifprozesses erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, dass für die Soll/Ist-Abweichungen der Zahnteilung und des Rohteilflankenaufmasses Grenzwerte in die CNC eingegeben werden, deren Überschreitung zu einer entsprechenden Anpassung der Prozessparameter durch die CNC oder Chargenabbruch verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, dass insbesondere die nach Abschluss des Schleif prozesses durchgeführten Messungen dazu verwendet werden, bei Überschreitung der programmierten Soll/Ist-Abweichungen die au tomatische Produktion der Maschine zu unterbrechen.

10. Zahnflankenschleifmaschine zur Durchführung des Verfah rens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend:

- einen Maschinenständer (1),
- eine im Maschinenständer (1) drehbar gelagerte, als NC- Achse ausgebildete Werkstückspindel (4) mit einem Spann dorn (5) zum Aufspannen eines Werkstücks (6),
- eine drehbar gelagerte, als NC-Achse ausgebildete Schleifspindel (10) zum Aufspannen einer Schleifschei be (11),
- einen ersten Schlitten (12) zur Erzeugung einer NC gesteuerten Relativbewegung zwischen Schleifscheibe (11) und Werkstück (6) parallel zur Schleifspindelachse,
- einen senkrecht zur Schleifspindelachse verfahrbaren zweiten Schlitten (13) zur Erzeugung einer NC-gesteuerten Relativbewegung zwischen Schleifscheibe (11) und Werk stück (6) senkrecht zur Verschieberichtung des ersten Schlittens (12),
- einen dritten Schlitten (15) zur Erzeugung einer NC gesteuerten Zustellbewegung der Schleifscheibe (11) rela tiv zum Werkstück (6) in radialer Richtung zur Werkstück spindelachse (7),
- eine NC-Steuereinrichtung (31), mit welcher sämtliche NC- Achsen programmiert gesteuert werden,

gekennzeichnet durch einen mittels einer zusätzlichen NC- Achse (19) parallel zur Werkstückspindelachse (7) verfahrbaren, radial zur Werkstückspindelachse (7) einstellbaren Messsonden halter (22), an welchem mindestens ein mit der NC- Steuereinrichtung (31) verbundener Sensor (23, 24) befestigt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Messsondenhal ter (22) zusätzlich seitlich bewegbar, vorzugsweise um die zu sätzliche NC-Achse (19) schwenkbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die seitliche Bewe gung des Messsondenhalters (22) durch eine weitere NC-Achse ge steuert ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die zusätzliche NC-Achse (19) als Spindel (16) ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei am Messsondenhalter (22) mehrere Sensoren (23, 24), vorzugsweise in Richtung der Werkstückspindelachse (7) gegeneinander versetzt, angeordnet sind.