DE2923209A1

DE2923209A1 - Geraet zur automatischen schleifkontrolle

Info

Publication number: DE2923209A1
Application number: DE19792923209
Authority: DE
Inventors: Franz L Dr Sauerland
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-17
Filing date: 1979-06-08
Publication date: 1980-01-31
Also published as: FR2431348B3; FR2431348A1; GB2029961B; US4199902A; DE2923209C2; GB2029961A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Kontrolle des Schleifens und Polierens von planparallelen
Scheiben auf enge Dickentoferanzen. Insbesondere bezieht
sie sich auf ein Gerät für die zuverlässige und exakte
automatische Schleifkontrolle und auf Verbesserungen von konventionellen Schleifkontrollgeräten. Eine wesentliche Anwendung ist das Schleifen und Polieren piezoelektrischer Materialien, wie Keramik- oder Quarzkristallscheiben, die für Frequenzkontrollanwendungen benutzt werden und genaue Dickenkontrolle benötigen. Eine andere Anwendung ist das Schleifen und Polieren von nichtpiezoelektrischen Materialien.

WR/Si

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BCk: Hannover 28 5658-306 (BLZ 25010030) - Commerzbank: Hannover 3348 083 (BLZ 250 400 Θ6) - Deutsche Bank Hannover: 22/42030 (BLZ 250 700 70)

Es gibt verschiedene Typen von konventionellen Maschinen für das Schleifen von flachen Scheiben. Zwei Beispiele sind die planetarische Schleifmaschine und die exzentrische Schleifmaschine. In beiden Maschinen werden die Scheiben zwischen zwei gewöhnlich metallischen Schleifplatten eingelegt und mittels sogenannter Träger bezüglich der Schleifplatten bewegt. Die Träger bestehen aus einem Material dünner als die Scheiben und haben Ausschnitte für die Scheiben. Eine Schleifflüssigkeit, die gewöhnlich aus einer auf Wasser oder öl basierenden Suspension eines Schleifpuders wie Carborundum oder Aluminiumoxyd besteht, wird zwischen die Schleifscheiben eingeführt und dient zum Schleifen und Wegspülen der abgeschliffenen Teilchen. Zum Polieren wird ein feines Puder benutzt, und die Platten können mit einer nichtmetallischen Oberfläche versehen sein. In einer anderen Art von Schleifmaschine werden die Scheiben ebenfalls zwischen zwei Schleifscheiben angebracht, aber an der Oberfläche einer Platte angekittet. Die zwei Schleifplatten werden gegeneinander bewegt, und eine Schleifflüssigkeit wird zwischen den Scheiben eingeführt. Die Scheiben werden in diesem Falle jeweils an einer Seite geschliffen.

Die planetarische Schleifmaschine wird weiter unten in größerem Detail erklärt im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erfindung.

Die wesentlichen konventionellen Methoden zur Kontrolle des Schleifprozesses werden im folgenden beschrieben und als Methoden 1 bis 5 bezeichnet.

Methode 1 basiert auf einer empirischen Beziehung zwischen Schleifgeschwindigkeit und Schleifzeit. Das Schleifen wird gestoppt nach einer vorgegebenen Schleifzeit bei konstanter Schleifgeschwindigkeit.

Methode 2 basiert auf der Beobachtung der Scheibendicke mittels der Messung der Distanz zwischen den Schleifscheiben. Diese Distanz kann auf die Breite eines Luftspalts zwischen zwei Oberflächen bezogen werden, die mit

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den zwei Schleifoberflächen verbunden sind. Der Spalt kann in verschiedener Weise wie durch Luftmesser oder Kapazitä'tsmesser ermittelt werden.

Methode 3 basiert auf mechanischen Anschlägen, die verhindern, daß die Dicke der Schleifladung ein vorgesetztes Maß unterschreitet. Eine Methode besteht in dem Gebrauch von Abstandsstücken aus hartem Material wie Diamanten zwischen den Schleifscheiben. Eine andere Methode benutzt die Träger als Abstandsstücke.

Die Methoden 1, 2 und 3 sind einfach aber relativ ungenau. In Methode 1 kann man die Genauigkeit durch wiederholtes Herausnehmen, Messen, Wiederladen und Schleifen der Scheiben verbessern. In Methoden 2 und 3 kann man die Dicke bis auf eine Toleranz von ungefähr t 0,005 mm kontrollieren, was für Präzisionsanwendungen wie das Schleifen von dünnen Quarzscheiben unzureichend ist. Ein Vorteil der Methoden 1, 2 und 3 ist, daß man sie leicht automatisieren kann.

Methoden 4 und 5 werden für das Schleifen piezoelektrischer Scheiben benutzt. Diese Methoden basieren auf dem piezoelektrischen Effekt, der bewirkt, daß eine piezoelektrische Scheibe mechanisch schwingt, wenn sie einem Wechselstromsignal ausgesetzt wird, und umgekehrt ein Wechselstromsignal abgibt, wenn sie mechanischen Schwingungen ausgesetzt wird. In einer Schleifmaschine werden mechanische Schwingungen durch die Schleifaktion der Schleifflüssigkeit und Schleifplatten auf die Scheibe übertragen, und die entsprechenden Wechselstromsignale erscheinen zwischen den Schleifplatten. Die Frequenz dieser Signale entspricht den Resonanzfrequenzen der Scheiben und ist deshalb auf die Scheibendicke bezogen. In flachen AT geschnittenen Quarzscheiben ist die Resonanzfrequenz zum Beispiel folgendermaßen von der Dicke abhängig

(1) f = 1,66 χ 10⁶/T,

wobei f in Hz gemessen und T die Scheibendicke in mm ist. Während des Schleifens wächst also die Frequenz umgekehrt proportional zu T. Zum Beispiel ist bei einer Frequenz von 32,2 MHz die Scheibendicke 0,05 mm laut Gleichung 1. Das Schleifen und Polieren von flachen AT geschnittenen Quarzscheiben wird routinemäßig bis zu ungefähr 35 MHz und manchmal bis über 60 MHz durchgeführt. Die erwünschte Dickenkontrolle ist in der Größenordnung von ± 0,1 %, was für das geschilderte Beispiel einer Dickentoleranz von t 0,00005 mm entspricht.

In Methode 4 wird ein Radioempfänger oder ein ähnlich frequenzselektives Gerät mit den Schleifplatten verbunden, um die von den Scheiben während des Schleifens abgegebenen Signale zu beobachten. Normalerweise sind die Resonanz-

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frequenzen der einzelnen Scheiben voneinander verschieden und erstrecken sich über eine „Frequenzstreuung" zwischen der höchsten und niedrigsten Scheibenfrequenz. Die Signale werden beim Abstimmen des Empfängers im Lautsprecher hörbar als ein verstärkter Geräuschpegel, der sich über den Frequenzstreubereich erstreckt. Eine Bedienungsperson kann die Signale beobachten und die Schleifmaschine abstellen, sobald die Frequenzstreuung mit einem vorgegebenen Frequenzbereich übereinstimmt. Eine wesentliche Begrenzung dieser Methode beruht auf der Tatsache, daß die Signale sehr schwach sind, daß ihnen die große elektrische Kapazität zwischen den Schleifplatten parallelgeschaltet ist, und daß sie mit wachsender Frequenz zunehmend in elektrischen Störsignalen begraben werden, so daß die obere praktische Frequenzgrenze ungefähr 20 MHz in planetarischen Schleifmaschinen und 30 MHz in exzentrischen Schleifmaschinen beträgt.

Die elektrischen Störsignale entstehen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Schleifmaschine. Die Schleifplatte verhält sich wie eine Antenne für externe Störsignale wie Radiowellen und Signale, die von benachbarten elektrischen Leitungen oder Geräten stammen. Eine Hauptquelle für interne Störsignale sind die metallischen Träger, wie sie in den meisten planetarischen Schleifmaschinen benutzt werden. Die Störsignale basieren auf elektrischen Kurzschlüssen zwischen den Schleifplatten durch die Träger. Bei höheren Frequenzen sind diese Träger sehr dünn und biegen sich in Folge der lateralen Kräfte, die während des Schleifens auf sie wirken. Dies bedingt Kurzschlüsse zwischen den Schleifplatten, die gewöhnlich in unregelmäßigen Abständen erfolgen wegen der unstetig isolierenden Wirkung der Schleifkörner.

Automatische Schleifkontrolle basierend auf Methode 4 ist möglich, leidet aber unter dem beschriebenen Störsignalproblem und wird deshalb kaum benutzt bei Frequenzen oberhalb ungefähr 4 MHz.

Methode 5 basiert auf der Injektion eines elektrischen Signals in wenigstens eine Elektrode, die in einer der Schleifplatten angebracht ist. Wenn die Frequenz des injizierten Signals der Resonanzfrequenz einer an der Elektrode passierenden Scheibe gleich ist, so zeigt die Impedanz unter der«Elektrode eine charakteristische Änderung, die durch Instrumente wie ein Oszilloskop sichtbar gemacht werden kann, um die Scheibenresonanz anzuzeigen. Eien Bedienungsperson kann die Anzeige beobachten und den Schleifvorgang beenden, sobald die Scheibenfrequenz eine vorgesetzte Zielfrequenz erreicht. Diese Methode kann weniger störempfindlich sein als Methode 4, benötigt jedoch kostspieligere Geräte und hat andere Nachteile, die ihre Nützlichkeit begren-

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zen und sie für zuverlässige automatische Schleifkontrolle ungeeignet machen. Dies wird im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erfindung weiter erklärt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es scheint, daß bisher keine konventionellen Methoden oder Geräte bekannt oder verfügbar sind für zuverlässige und genaue automatische Schleifkontrone von piezoelektrischen und insbesondere Quarzscheiben über einen Frequenzbereich von mehr als ungefähr 4 HHz. Bekannte nichtautomatische Geräte haben verschiedene Nachteile wie Ungenauigkeit und hohe Arbeitskosten.Anscheinend gibt es auch keine Methoden oder Geräte für die zuverlässige und genaue automatische Schleifkontrolle nichtpiezoelektrischer Scheiben.

Ein wesentliches Ziel dieser Erfindung ist die Erstellung von Geräten für genaue und zuverlässige automatische Kontrolle für das Schleifen von piezoelektrischen Scheiben bis zu wenigstens 30 MHz. Ein weiteres Ziel ist die Verbesserung von konventionellen Geräten für das Schleifen von piezoelektrischen Scheiben. Ein drittes Ziel ist die Erstellung von Geräten für genaue und zuverlässige automatische Kontrolle für das Schleifen nichtpiezoelektrischer Scheiben.

Die vorliegende Erfindung erfüllt die erwähnten Ziele. Sie basiert auf der Einführung von wenigstens einer Elektrode spezieller Konstruktion in wenigstens einer Schleifplatte einer Schleifmaschine, dem Einschluß von wenigstens einer piezoelektrischen Scheibe in der Schleifladung, der Beobachtung der elektrischen Signale und der entsprechenden Resonanzfrequenzen der piezoelektrischen Scheiben während ihrer Passage ander Elektrode, und der automatischen Beendigung des SchleifVorgangs, sobald die Scheibenfrequenz so groß wie oder größer als eine Ziel frequenz ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen verwiesen.

Bild 1 zeigt einen teilweisen und vereinfachten senkrechten Querschnitt einer planetarischen Schleifmaschine mit einer eingelegten Elektrode in der oberen Schleifplatte und einem vereinfachten Blockdiagramm der elektrischen Schaltung_ä die für die Beobachtung der Impedanzänderungen unter der Elektrode benutzt wird;

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Bild 2 ist eine teilweise Oberansicht entsprechend des Querschnitts von Bild 1;

Bild 3 ist ein ausführlicheres Diagramm der elektrischen Schaltung von Bild 1;

Bild 4 zeigt einen teilweisen, vereinfachten senkrechten Querschnitt einer planetarischen Schleifmaschine mit einer Elektrodenanordnung nach der vorliegenden Erfindung,sowie ein Blockdiagramm einer Schaltung für automatische Schleifkontrolle, basierend auf der Injektion eines Signals in die Elektrode;

Bild 5 ist ein Blockdiagramm der automatischen Kontrollschaltung von Bild 4;

Bild 6 ist ein Blockdiagramm einer automatischen Schleifkontrollschaltung, die zur Kontrolle von mehreren Schleifmaschinen verbunden ist;

Bild 7 zeigt einen teil weisen und vereinfachten senkrechten Querschnitt einer planetarischen Schleifmaschine mit einer Elektrodenanordnung nach der vorliegenden Erfindung, sowie ein Blockdiagramm einer Schaltung für automatische Schleifkontrolle, die auf dem Empfang eines Signals von der Elektrode beruht;

Bild 8 zeigt zwei Elektroden entsprechend der Erfindung, die nahe zueinander angeordnet und mit einer elektrischen Schaltung verbunden sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungen.

Die Methode 5 hat einige Eigenschaften mit einer Ausführung der Erfindung gemein. Sie hat auch eine Anzahl von Nachteilen, die erklärt werden, um die Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung zu illustrieren.

Bild 1 zeigt einen teilweisen und vereinfachten senkrechten Querschnitt einer planetarischen Schleifmaschine mit einer oberen Schleifplatte 2, einer unteren Schleifplatte 4, einem Träger 6, zwei Schleifplatten 8 und 10, einer Elektrode 12, einem Isolator 14, einem Spalt 16, einer Schleiffläche 17, und einer Schleifplattenmittenachse 18. Die untere Schleifplatte ist geerdet. Nicht angezeigt ist die Schleifflüssigkeit, die die Spalte zwischen den Schleifplatten ausfüllt und die Scheibenflächen bedeckt. Außerdem ist in Bild 1 ein vereinfachtes Diagramm einer Schaltung eingeschlossen, die zur Beobachtung der Impedanzänderungen unter der Elektrode 12 benutzt wird. Sie enthält einen geerdeten Hochfrequenz-Wobbelgenerator 20, dessen Ausgang mit einem Widerstand in Reihe mit Elektrode 12 verbunden ist. Die Verbindung 23 zwischen Wider-

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stand 22 und Elektrode 12 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 24 verbunden, dessen Ausgang an einem Hochfrequenzdetektor 26 mit Ausgang 28 liegt.

Bild 2 zeigt eine teilweise Oberansicht entsprechend der Anordnung von Bild 1, mit oberer Schleifplatte 2, Mittenachse 18, Träger 6, Scheiben 8 und 10, und sechs weiteren unmarkierten Scheiben. Die Trägerzähne greifen in Zahnräder, die nicht angezeigt sind und konzentrisch an der inneren und äußeren Peripherie der Schleifscheiben angeordnet sind und die Träger wie angezeigt durch Pfeile 30 und 31 in planetarischer Bewegung um ihre eigene Achse und um die Achse 18 bewegen.

Methode 5 basiert auf der Impedanzcharakteristik einer piezoelektrischen Scheibe. In der Nähe der Scheibenresonanzfrequenz ist die Scheibenimpedanz, gemessen zwischen zwei metallischen Oberflächen, ungefähr der Impedanz eines elektrischen Reihenschwingkreises analog, der aus einer Reihenverbindung von Induktivität L, Kapazität C und Widerstand R besteht. Bei Reihenresonanz hat die Scheibenimpedanz einen Kleinstwert gleich dem Widerstand R.

Während der Schleifoperation bewirken Impedanzänderungen unter der Elektrode 12 Änderungen in dem Signal an der Verbindung 23. Wenn eine Scheibe unter der Elektrode passiert und wenn die Scheibenresonanzfrequenz der Frequenz des Generator 20 gleicht, so erreicht die Impedanz unter der Elektrode einen Kleinstwert gleich dem Widerstand R. Die entsprechende Änderung im Hochfrequenzsignal an der Verbindung 23 wird im Verstärker 24 verstärkt und im Detektor 26 detektiert, so daß die Änderung der Resonanzimpedanz durch eine Änderung der Signalhöhe am Detektorausgang 28 angezeigt wird.

Im Allgemeinen sind die Schleifplatten, Träger und Elektroden metallisch. In der konventionellen Methode ist der Spalt 16 mit Schleifflüssigkeit gefüllt und die Breite des Spalts ist kritisch. Falls sie zu klein ist, kann die Elektrode stoßweise zur Erde kurzgeschlossen werden infolge des vorher erwähnten Biegens der Träger. Falls der Spalt zu groß ist, wird die Empfindlichkeit der Impedanzvariationsbeobachtung zunehmend verkleinert, bis die erwünschten Signale durch Störsignale überwogen werden. Der Luftspalt muß daher sorgfältig und wiederholt justiert werden, während die Schleifplatten und Scheiben abgeschliffen werden und die Schleifbedingungen sich ändern. Diese Methode ist umständlich aber möglich, solange die Impedanzänderungen und die erwünschten und unerwünschten Signale unter der Elektrode beobachtet und unterschieden werden können, zum Beispiel durch visuelle Beobachtung mit einem Oszilloskop. Die Methode wird jedoch selten benutzt und ist .wegen der Störanfälligkeit für automatische Kontrolle schlecht geeignet.

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Man kann die Situation weiter erklären, indem man die elektrische Schaltung Bild I betrachtet, die in Bild 3 in größerer Einzelheit dargestellt ist. Hier ist die Scheibe 8 durch das elektrische Schaltbild für einen piezoelektrischen Resonator dargestellt, und der elektrische Effekt des Luftspalts 16 ist durch die Kapazität C, ersetzt. C₂ entspricht der Kapazität zwischen der Elektrode und der oberen Schleifplatte, die man bei hohen Frequenzen wegen der relativ großen Kapazität zwischen den Schleifplatten als zu der unteren Schleifplatte kurzgeschlossen betrachten kann.

Bei der Reihenresonanzfrequenz der Scheibe ist die Scheibenimpedanz minimal und gleicht dem Widerstand R. Falls sich weder eine Scheibe noch ein Träger unter der Elektrode befindet, so ist R durch eine Kapazität ersetzt, die im folgenden C₃ genannt wird. Zur Beobachtung der Scheibenresonanzen ist die relative Größe des Widerstands R und der Reaktanzen von C₁, C₂ und C₃ von entscheidender Wichtigkeit. Dies ist im folgenden an einem numerischen Beispiel erläutert.

Die Kapazitäten C,, C₂ und C₃ kann man mit der angenäherten allgemeinen Formel für eine Kapazität zwischen zwei parallelen Elektroden, die durch ein dielektrisches Medium getrennt sind, folgendermaßen auswerten:

(2) Kapazität (in picofarad) = 0,009 KA/s,

wobei K die Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Mediums, A die Elek-

P
trodenfläche in mm und s der Elektrodenabstand in mm sind.

Die Gleichung für den Resonanzwiderstand der Scheibe ist angenähert

(3) R = IJx 10¹⁰/f²d²Q,

wobei f die Scheibenfrequenz in MHz d der Scheibendurchmesser in mm und Q der effektive Gütefaktor der Scheibe, gemessen in ihrer Schleifumgebung, sind. Wegen der mechanischen Belastung der Scheibe durch die Schleifflüssigkeit und das Gewicht der Schleifplatte ist Q kleiner als der Gütefaktor der Scheibe ' selbst.

Man kann die relative Größe des Scheibenwiderstands und der Reaktanzen von C,, C₂ und C₃ an einem praktischen Beispiel ersehen. Angenommen, daß mit Bezug zu Bild 1 die Elektrode 12 und die Scheibe 8 beide einen Durchmesser von 6 mm, der Isolator 14 einen Außendurchmesser von 8 mm, der Spalt 16 eine Breite von 0,6 mm und die Schleifplatte 2 eine Dicke von 12 mm haben. Angenommen weiter, daß die relative Elektrizitätskonstante des Isolators und der Schleifflüssigkeit 4 bzw. 2 sind, und daß Q der Gleichung 3 bei 600 liegt. Für diesen Fall sind die Werte für Widerstand und Reaktanzen bei verschiedenen Schleiffrequenzen folgendermaßen:

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f/MHz 4 10 20 40

R/Kilo Ohm 5 .8 .2 .05

Reaktanz von Cj/KiTo Ohm 55 23 11 5.5

Reaktanz von Cg/Kilo 0hm 4 1.7 .9 .4

Reaktanz von C₃/Kilo 0hm 32 5.3 1.3 .32

Mit Hilfe dieser Tabelle und einer mathematischen Netzwerkanalyse läßt sich zeigen, daß in diesem Beispiel die Scheibenresonanzsignale an der Elektrode durch die Reaktanzen von C^ und besonders C, stark reduziert werden. Dadurch wird das Verhältnis von Nutz- zu Störsignal so klein, daß man nur zwischen den gewünschten und unerwünschten Signalen unterscheiden kann. Dieses und die Notwendigkeit für häufiges Wiedereinstellen des Spaltes sind zwei Hauptgründe, warum die Methode 5 für zuverlässige automatische Schleifkontrolle ungeeignet ist. Ein weiterer durch C, und C₂ bedingter Nachteil ist die Notwendigkeit für eine Signalquelle mit relativ hoher Energie, um eine gegebene Spannung an der Scheibe zu erzeugen.

In dem System laut der vorliegenden Erfindung wird C₂ durch geeignete Wahl der Geometrie und Isolation reduziert, und C, wird erhöht durch den Gebrauch einer Elektrode, die mit einem festem dielektrischen Isoliermaterial bedeckt ist, das sich bis zu der Schleifoberfläche erstreckt. Während die meisten Isoliermaterialien eine relative Dielektrizitätskonstante kleiner als ungefähr 10 haben, hat die Elektrodendecke vorzugsweise eine relative Dielektrizitätskonstante größer als 10. Die Dicke der Decke ist vorzugsweise größer als die Dicke der Abnutzung der Schleifscheibe während ihrer Nutzzeit.

Ein Beispiel eines geeigneten dielektrischen Materials bezüglich der Erhöhung von C₁ ist das keramische Barium Titanat, das eine relative Dielektrizitätskonstante von rund 12000 haben kann. Mit diesem Material kann die Reaktanz von C₁ sehr klein gemacht werden, während zur gleichen Zeit die Dicke der dielektrischen Decke erhöht werden kann, um die Abnutzung beider Schleifplatten und der Elektrode zu berücksichtigen. Im obigen Bei spie] würde die Reaktanz von C₁ bei 20 MHz von 11000 Ohm auf 1,8 0hm reduziert werden. Sogar nach Erhöhung der Dicke der dielektrischen Schicht von 0,7 mm auf 5 mm - eine typische Abnutzung einer Schleifplatte während ihrer Nutzzeit würde die Reaktanz von C. immer noch weniger als 7 % des Resonanzwiderstands der Scheibe ausmachen. Dadurch wird der Effekt von C, auf das Verhältnis von Nutz- zu Störsignal unbedeutend. Außerdem werden Störsignale in folge von

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Kurzschlüssen durch gebogene Träger unbedeutend. Dies liegt wohl daran, daß die Kurzschlüsse in folge der dazwischenliegenden Schleifflüssigkei* un-⁴ der gebogenen Träger nur auf stoßweisen Punktco'-'iaicten uy\d n>chir 0k«rfiäcbewkontakten beruhen. Da die Elektrodenoberfläche nicntieitenG ist, Kant em Punktkontakt wegen seiner kleinen Kontaktoberfläche und der entsprechend kleinen Serienkapazität keine wesentliche Impedanzreduktion unter der Elektrode erzeugen.

Eine Reduktion von C_? könnte man durch Erhöhen der Wandstärke des Isolators 14 in Bild 1 erreichen. Dies würde jedoch eine größeren Ausschnitt in der Schleifoberfläche bedingen und die wirksame Schleifoberfläche beeinträchtigen. Eine bevorzugte Methode zur Reduktion von Cp ist, ein Isoliermaterial kleiner Dielektrizitätskonstante zu wählen und die durchschnittliche Wandstärke des Isolators zwischen Elektrode und Schleifscheibe größer zu machen als die Isolatorwandstärke direkt an der Schleifoberfläche. Sie kann mit Hilfe von Bild 4 erklärt werden. Das Bild zeigt einen teilweisen und vereinfachten Querschnitt einer planetarischen Schleifmaschine teilweise analog dem Bild 1, worin gleiche Teile durch gleiche Bezugsnummern mit einem Apostroph (') bezeichnet sind. Zusätzlich zu den analogen Teilen enthält dieses Bild: einen Isolator 52; eine Elektrode mit einer festen dielekttrisehen Decke 54, einer oberen leitenden Oberfläche 56, und einem Leiter 58, der mit der Oberfläche 56 verbunden ist. Bild 4 enthält außerdem ein· Blockdiagramm einer elektrischen Kontrollschaltung, die folgende Teile enthält: einen spannungskontrollierten Oszillator 60, dessen Ausgang mit einem Widerstand 62 in Reihe mit der Elektrode verbunden ist; eine automatische Kontrollschaltung 64, die weiter unten ausführlich beschrieben ist und zwei Eingangsklemmen 86 und 87 hat sowie einen Ausgang 90 und einen Wobbel-Spannungsausgang 88; ein Halbleiterrelais 66, das mit einem Schleifmaschinen- motor 68 und einem Netzausgang 69 in Reihe geschaltet ist und von dem Ausgang 90 der Kontrollschaltung 64 kontrolliert wird.

Wie aus Bild 4 zu entnehmen ist, ist die durchschnittliche Isolatordicke zwischen der Elektrode und der Schleifplatte, gemessen über den Dicke

der Schleifplatte, größer als die Isolatorwandstärke direkt an der Schleifoberfläche. Dieses wird hier erreicht durch Reduktion des Elektrodenquerschnitts abseits von der Schleifoberfläche. Es könnte auch erreicht werden mit einer Elektrode konstanten Querschnitts und einem Isolator, dessen Querschnitt mit zunehmenden Abstand von der Schleifoberfläche zunimmt. Wichtig ist in diesem Zusammenhang die vorher erwähnte Definition der Elektrode als

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das Aggregat aer in Bild 4 gezeigten Komponenten 52, 54, 56 und 58, das sich über die Dicke der Schleifplatte erstreckt. In Bild 4 ist zum Beispiel der Leiter 58 der Teil der Elektrode, dessen Querschnitt kleiner ist als der an die Schleifoberfläche grenzende Teil 54 der Elektrode.

Der Zweck der automatischen Schleifkontrolle ist die Beendigung des SchleifVorgangs, sobald die Frequenz einer oder mehrerer piezoelektrischer Scheiben in der Schleifladung ein vorbestimmtes Verhältnis zu einer Zielfrequenz erreicht. Eine Definition dieses Verhältnisses wäre die Beendigung des Schleifvorgans, sobald eine Scheibenfrequenz die Zielfrequenz erreicht oder überschießt. Eine andere Definition wäre die Beendigung des Schleifvorgangs, sobald die obere Frequenz der vorher definierten Streuung die Zielfrequenz um einen gegebenen Bruchteil der Streuung überschießt.

Bild 5 zeigt ein Beispiel eines Blockdiagramms entsprechend der automatischen Kontrollschaltung 64 von Bild 4. Der Kontrollschaltungsblock 64 ist gezeigt mit seinen Klemmen 86, 87, 88 und 90 für Verbindung mit der Schaltung von Bild 4. Innerhalb des Blocks enthält die Schaltung folgende Teile: einen Differenzialverstärker 70 dessen Eingang mit den Klemmen 86 und 87 verbunden ist und dessen Ausgang an einer Kaskadenschaltung eines Hochfrequnezdetektors 72, Filters 74, Pegelschieber 76 und Gipfeldetektors liegt; einen Wobbelspannungsgenerator 80, dessen Ausgang mit der Klemme 88 und mit dem Sättigungsverstärker 82 verbunden ist; einen Koinzidenzdetektor 84, dessen zwei Eingänge mit den Ausgängen des Gipfeldetektors 87 und Sättigungsverstärkers 82 verbunden sind und dessen Ausgang an der Klemme 90 liegt.

Die Schaltung verhält sich wie folgt: der Wobbelgenerator 80 hat eine dreiecksförmige Ausgangsspannung, die symmetrisch zu einem Bezugsspannungspegel V liegt. Die Wobbelspannung wird durch die Schaltung 82 in eine rechteckförmige Spannung umgewandelt, deren Schnittpunkte an dem Pegel V mit den Schnittpunkten der Wobbelspannung übereinstimmen. V wird so eingestellt, daß die entsprechende Frequenz des spannungskontrollierten Oszillators 60 von Bild 4 einer gewünschten Zielfrequenz gleicht. Die Frequenz des spannungskontrollierten Oszillators wird dann um diese Zielfrequenz gewobbelt. Wenn eine Scheibenfrequenz innerhalb der Wobbelfrequenzen fällt, so bewirkt die entsprechende Impedanzänderung unter der Elektrode eine Spannungsänderung an dem Widerstand 62, die in den Blöcken 70, 72 und 74 verstärkt, gleichgerichtet und gefiltert wird. Das Signal am Ausgang des Filters 74 zeigt eine starke Amplitudenä'nderung mit einem Maximum bei der Scheibenresonanz. Um dieses Signal von ungewünschten Störsignalen zu trennen, wird es an den Pegelschie-

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ber 76 gelegt, der dem Bezugspegel über den Störpegel hinausschiebt. Der Ausgang des Pegel Schiebers 76 wird an den Gipfel detektor 78 gelegt, der die genaue Lage des Maximums oder Gipfels seiner Eingangsspannung anzeigt und eine Ausgangsspannung liefert, die mit dem Eingangsspannungsgipfel und deshalb mit der Scheibenresonanzfrequenz zusammenfällt. Der Koinzidenzdetektor 84 dient zur Beobachtung der Ausgänge von Gipfel detektor 78 und Sättigungsverstärker 82 und wird so eingestellt, daß er ein Ausgangssignal liefert, das das Halbleiterrelais 66 abschaltet, falls Gipfel spannungen mit Wobbel-Spannungen zusammenfallen, die gleich groß wie oder größer als die Bezugsspannung V sind. Das bedeutet, daß das Schleifen beendet wird, sobald eine beobachtete Scheibenfrequenz die Ziel frequenz erreicht oder überschießt.

Falls nur eine Elektrode benutzt wird, werden die Scheibenfrequenzen während des Schleifens nacheinander beobachtet, und es kann relativ lange dauern, um alle Scheiben zu beobachten. Da alle Scheibenfrequenzen sich ständig während des Schleifens ändern, ist es gewöhnlich wünschenswert, die Beobachtungszeit zu reduzieren. Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Zum Beispiel ist in einer planetarischen Schleifmaschine die Streuung unter den Scheiben innerhalb eines Trägers gewöhnlich klein im Vergleich zu der Streuung über die gesamte Schleifladung, und die Schleifkontrolle kann genügend genau sein, wenn man nur eine Scheibe pro Träger beobachtet. Eine andere Methode zur Reduktion der Beobachtungszeit ist der Gebrauch mehrerer parallelgeschalteter Elektroden in der Schleifplatte oder einer großflächigen Elektrode,

Während die Erfindung an Hand von planetarischen Schleifmaschinen erklärt wurde, ist sie auch auf exzentrische Schleifmaschinen anwendbar. In Fällen, wo exzentrische Schleifmaschinen mit nichtleitenden Trägern benutzt werden, bracht die Elektrode keine dielektrische Bedeckung zu haben, ist jedoch vorzugsweise so entworfen, daß die Parallelkapazität C« von Bild 4 reduziert oder minimisiert ist. Zum Beispiel wäre eine Elektrodenkonfiguration wie die in Bild 5 gezeigte geeignet, außer daß Teil 64 nun aus einem leitenden Material bestehen kann.

Ähnliche Betrachtungen gelten für Polieranwendungen, die gewöhnlich in exzentrischen Schleifmaschinen stattfinden.

Das erfindungsgemäße System kann auch auf die automatische Schleifkontrolle nichtpiezoelektrischer Scheiben angewandt werden. In diesem Falle wird wenigstens eine piezoelektrische Scheibe in der Schleifladung eingeschlossen. Ihre Frequenz kann mit der Dicke der Schleifladung durch eine direkte Relation

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BAD ORiGiNAL

wie Gleichung (1) in Zusammenhang gebracht werden. Das Schleifen wird beendet, sobald die Beobachtungsfrequenz eine vorbestimmte Zielfrequenz erreicht.

Eine andere Ausführung der Erfindung ist die Kontrolle von mehreren Schleifmaschinen mit einem Kontrollgerät. Ein Beispiel für drei Schleifmaschinen ist in Bild 6 gezeigt. Ein Teil der Schaltung dieses Bildes ist Bild 4 analog, wobei gleiche Teile durch gleiche Bezugsnummern mit einem Apostroph (') bezeichnet sind. Klemmen 86' und 90' sind mit den Schaltarmen 91 und 92 von zwei gekoppelten Schaltern verbunden, Schalter 91 ist mit den Elektroden E,, Ep und E₃ von drei nichtgezeigten Schleifmaschinen verbunden, und Schalter 92 ist mit den Halbleiterrelais R,, Rp und Rg verbunden, die die Motoren der genannten Schleifmaschinen kontrollieren. Sequentielles Schalten der Schalter 91 und 92 zwischen den drei Positionen bewirkt sequentielle Kontrolle der drei Schleifmaschinen.

Die Elektrodenanordnung laut der Erfindung kann auch benutzt werden, um die Wirkung der vorher erwähnten konventionellen Methode 4 zu verbessern, indem der Effekt der vorher beschriebenen externen und internen Störquellen eliminiert wird. Die Elektrode und ihre Verbindung mit dem genannten frequenzselektiven Empfänger kann leicht von Umgebungsstörungen abgeschirmt werden, und die Kurzschlüsse durch die Träger werden durch die dielektrische Elektrodendecke verhindert. Außerdem liegt den Signalen nicht mehr die große Kapazität zwischen den Schleifplatten parallel. Folgemäßig wird die Methode verbessert und ihre Frequenzgrenzen erweitert. Außerdem kann die Methode auf automatische Schleifkontrolle erweitert werden. Eine geeignete Anordnung dafür ist in Bild 7 gezeigt, das teilweise Bild 4 analog ist und wo gleiche Teile mit gleichen Referenznummern mit einem Apostroph (') bezeichnet sind. Die Elektrode ist mit dem Eingang eines Impedanzanpassungsverstärkers 94 verbunden, dessen Ausgang am Eingang des Radioempfängers 96 liegt. Der Audioausgang des Empfängers wird mit dem Pegel detektor 98 verbunden, dessen Ausgang am Halbleiterrelais 66' liegt, das den Schleifmaschinenmotor 68' kontrolliert. Das System kann folgendermaßen benutzt werden: der Empfänger wird auf die gewünschte Zielfrequenz abgestimmt, und der Pegeldetektor wird.so eingestellt, daß er zwischen den Nutzsignalen der Scheibenresonanzen und den kleineren ungewünschten Störsignalen unterscheiden kann. Wenn die Frequenz einer Scheibe unter der Elektrode die Zielfrequenz erreicht, so löst der Pegel detektor 98 das Halbleiterrelais 66' aus und schaltet den Motor 68' ab.

Außer den gezeigten Beispielen gibt es andere Möglichkeiten zur Anwendung der Elektrodenkonfiguration laut der Erfindung. Eine dieser Möglichkeiten ist in Bild 8 illustriert, das mit Ausnahme der Elektrodenanordnung dem

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Bild 4 identisch ist, und in der gleiche Teile mit gleichen Referenznummern mit einem Apostroph (') bezeichnet sind. Diese Ausführung hat eine erste Elektrode 100 und eine zweite Elektrode 102, die beide nahe beieinander angeordnet sind, so daß sie gleichzeitig eine Scheibe 8' überdecken können. Elektrode 100 ist elektrisch mit der Signalquelle 60' verbunden, während Elektrode 102 am Widerstand 63' liegt. Infolge des piezoelektrischen Effekts wird die von der Signalquelle über die Elektrode 100 in die Scheibe gelieferte Energie durch die Scheibe gesandt und in die Elektrode 102 und den Widerstand 62' gekoppelt. Die Energie im Widerstand 62' wird in der Kontrollschaltung 64' beobachtet und ist maximal, wenn die Frequenz der Signalquelle der Scheibenresonanzfrequenz gleicht. In der Praxis können die beiden Elektroden durch eine "duale" Elektrode ersetzt werden. Eine solche Elektrode kann man zum Beispiel erhalten, in dem man eine Einzelelektrode der Art in Bild 4 in zwei Hälften schneidet, den Schneidspalt mit einem Isoliermaterial niedriger Dielektrizitätskonstante füllt, und elektrische Verbindungen zu beiden Hälften herstellt. Eine andere Art einer "dualen" Elektrode wäre eine konzentrische Anordnung der beiden Elektroden. Wie im Fall der Einzel elektrode kann die Wirkung der doppelten oder dualen Elektrode an Hand von Impedanzänderungen erklärt werden. Die an den Widerstand 62' gelieferte Energie ist nämlich der von der SignalqueUe gelieferten Energie proportional. Letztere ist maximal wenn die Impedanz unter der ersten Elektrode gleich oder nahe ihrem Minimalwert 1st. Diese Bedingung 1st bei der Scheibenresonanzfrequenz erfüllt.

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Claims

Patentansprüche

Λ. J Gerät zur automatischen Schleifkontrolle für eine mit wenigstens einer Schleifplatte samt Schleifoberfläche und wenigstens einer piezoelektrischen Scheibe ausgestatteten Scheibenschleifmaschine, gekennzeichnet durch

a) wenigstens eine Elektrode, die isoliert in die genannte Schleifplatte einsetzbar und an der Schleifoberfläche mit einem festen dielektrischen Material bedeckt ist;

b) Mittel zur. Erfassung der Resonanzfrequenz piezoelektrischer Scheiben und zur automatischen Beendigung des SchleifVorganges, sobald die Resonanzfrequenz in einem vorbestimmten Verhältnis zu einer Zielfrequenz steht.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte dielektrische Material eine relative Dielektrizitätskonstante größer als 10 hat.
3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Mittel zur Resonanzfrequenzerfassung mit dem genannten Mittel zur Schleifbeendigung funktionsmäßig verbunden ist.
4. Gerät nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es auch Mittel zur Anwendung eines elektrischen Signals zwischen der genannten Elektrode und der genannten Schleifplatte enthält, wobei dieses Mittel mit dem Mittel zur Resonanzfrequenzerfassung funktionsmäßig so verbunden ist, daß die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von Impedanzänderungen

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zwischen der genannten Elektrode und der genannten Schleifplatte bestimmt wird.
5. Gerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Resonanzfrequenzerfassung elektrische Signale zwischen der genannten Elektrode und der genannten Schleifplatte gemessen werden, wodurch die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von den Signaländerungen bestimmt wird.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Resonanzfrequenzerfassung mit dem genannten Mittel zur Schleifbeendigung funktionsmäßig verbunden ist, um den SchleifVorgang automatisch zu beenden.
7. Gerät nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet durch

a) wenigstens eine Elektrode, die in die genannte Schleifplatte eingelassen ist ,

b) einen Isolator zwischen der Elektrode und der Schleifplatte, der eine Dielektrizitätskonstante kleiner als 10 hat sowie eine erste Wandstärke an der Seite der Schleifoberfläche und wenigstens eine zweite Wandstärke, die abseits der Schleif-Oberfläche liegt und größer als die erste Wandstärke ist;

c) Mittel zur Resonanzfrequenzerfassung der genannten piezoelektrischen Scheibe und Mittel zur Be-. endigung des SchleifVorganges, sobald die Resonanzfrequenz in einem vorbestimmten Verhältnis zu einer Zielfrequenz steht.

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