DE3827752A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung der oberflaeche von schleifscheiben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Oberfläche (Schleifbelag) von in Betrieb be­ findlichen Schleifscheiben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, und außerdem befaßt sich die Erfindung mit einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Schleifscheiben werden beim Rundschleifverfahren ein­ gesetzt, um die Oberflächen von Werkstücken, z.B. von Wellen, glatt zu schleifen. Zusätzlich besteht häufig auch die Aufgabe, die Oberfläche einer Welle so weit abzuschleifen, daß die Welle einen bestimmten exakten Durchmesser besitzt.

Die zu diesem Zweck verwendeten Schleifscheiben wer­ den von einem Motor angetrieben und mit ihrer Ober­ fläche, also ihrem aktiven Schleifbelag, in Berüh­ rung mit der Oberfläche des Werkstückes gebracht. Während des Schleifvorganges tritt dabei eine Ab­ nutzung des Schleifbelages der Schleifscheibe ein, der auch inhomogen sein kann und somit zu Welligkeiten führt. Deshalb ist es erforderlich, die Schleifscheibe von Zeit zu Zeit abzurichten.

Während das Abrichten einer gebrauchten oder neuen Schleifscheibe selbst in der Praxis keine Probleme bereitet, ist es schwierig, den Zeitpunkt zu bestimmen, wann eine Schleifscheibe so weit abgenutzt ist, daß sie mit einem Abrichtwerkzeug (z.B. einem Diamanten) abgerichtet und geschärft werden muß.

Die geschilderte Schwierigkeit rührt daher, daß es bisher nicht möglich war, die Oberfläche der Schleif­ scheibe in ihrer sehr feinen Struktur meßtechnisch zu erfassen und eine Aussage über den Zustand der Ober­ fläche der Schleifscheibe zu erhalten. Nur eine sol­ che Aussage würde es aber ermöglichen, den Zeitpunkt festzulegen, zu dem ein Abrichten einer stumpf oder wellig gewordenen Schleifscheibe erforderlich ist.

In der Praxis hat man sich bisher mit Erfahrungs­ werten beholfen und die Schleifscheibe jeweils nach einer geschätzten Benutzungsdauer abgerichtet. Aus Vorsicht hat man dabei die Schleifscheibe meistens zu früh abgerichtet, also zu einem Zeitpunkt, wo ein Abrichten aufgrund des noch vorhandenen aktiven Schleifbelages eigentlich nicht erforderlich wäre.

Die beschriebene bisherige Handhabung ist als nach­ teilig anzusehen. Während des Abrichtens steht die Schleifscheibe nicht für ihren eigentlichen Verwen­ dungszweck zur Verfügung, und wenn die Schleifschei­ be zu früh und damit auch häufiger als an sich not­ wendig abgerichtet wird, führt dies zu erhöhten Ne­ benzeiten bei der Bearbeitung eines Werkstückes, und damit auch zu erhöhten Kosten.

Es ist zwar an sich bekannt, Oberflächen und deren feine Strukturen meßtechnisch zu erfassen, beispiels­ weise induktiv oder auch mit optischen Sensoren. Eine induktive Messung scheidet bei der Schleifschei­ be wegen des fehlenden Metalls jedoch aus.

Die Anwendung optischer Sensoren zur berührungslosen Erfassung der Oberfläche kann bei Schleifscheiben ebenfalls nicht angewendet werden, weil dies die Um­ weltbedingungen am Meßort nicht zulassen. Wenn sich die Schleifscheibe nämlich in Betrieb befindet, ent­ steht während des Schleifvorganges insbesondere durch eventuell benötigte Kühlschmiermittel Dreck und Schmutz, so daß optische Meßverfahren nicht geeingnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erfassung der Oberfläche (Schleifbelag) von in Be­ trieb befindlichen Schleifscheiben zu schaffen, welches es ermöglicht, eine Aussage über die Beschaffenheit der Oberfläche bzw. der Oberflächenstruktur bzw. der Rund­ heit der Schleifscheibe zu erhalten, um feststellen zu können, wann eine abgenutzte, aber noch brauchbare Schleifscheibe wieder abgerichtet werden muß. Außerdem soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung der Oberfläche (Schleifbelag) von in Betrieb befind­ lichen Schleifscheiben geschaffen werden.

Dieses Ziel erreicht die Erfindung bei dem im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 erwähnten Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Ver­ fahrensschritte, und hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentan­ spruchs 6 gelöst.

Überraschend erlaubt es das neue Verfahren erstmals, eine Aussage über die Beschaffenheit der Oberfläche von Schleifscheiben zu treffen, wobei die Messungen während des Betriebes der Schleifscheiben unter den von Schmutz und Dreck gekennzeichneten Umweltbedin­ gungen durchgeführt werden können. Trotz der vorhan­ denen ungünstigen Umweltbedingungen wird ein berüh­ rungsloses optisches Meßverfahren angewendet, was dadurch ermöglicht wird, daß der Sender und Empfän­ ger des optischen Sensors durch einen aus der Kammer durch eine oder mehrere Öffnungen austretenden Gas­ strom vor Verschmutzung geschützt werden. Dieser Gas- oder Luftstrom führt noch zu einem weiteren Vorteil, da die beim Schleifvorgang verwendeten flüssigen Schmier­ mittel weggeblasen werden. Somit können eventuelle Reste eines Kühl-Schmiermittels weggeblasen werden.

Außerdem wird die hygroskopische Oberfläche der Schleif­ scheibe durch den Luftstrom optimal gesäubert und für die Messung vorbereitet, so daß eine Verfälschung der Messung ausgeschlossen werden kann.

Bei dem neuen Verfahren wird also bei Schleifscheiben erstmals eine berührungslose Oberflächenmessung mit einem optischen Meßverfahren durchgeführt, und zwar unter Anwendung eines zur Beseitigung der Schmutz­ verhältnisse vorgesehenen Luftstromes, der unter Druck auf die Schleifscheibe gerichtet werden kann.

Als optisches Meßverfahren läßt sich in vorteilhaf­ ter Weise die an sich bekannte Triangulationsmeßtech­ nik verwenden, wie sie durch den Prospekt "Kappa-Meß­ technik; Triangulationsmeßtechnik" bekannt geworden ist.

Um den Arbeitspunkt des Sensors optimal einstellen zu können, wird bei dem Verfahren in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, den Sensor in radialer Richtung der Schleifscheibe bewegbar anzuordnen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin­ dung sieht vor, daß die Drehwinkelstellung der Schleif­ scheibe zusätzlich zur Auswertung der Messung durch den optischen Sensor herangezogen wird. Dadurch ist es möglich, daß durch den Sensor gemessene Signal einem Ort auf der Schleifscheibenoberfläche zuzu­ ordnen.

Die durch die Erfindung geschaffene neue Vorrichtung zeichnet sich durch einen optischen Sensor zur be­ rührungslosen Messung der Oberfläche der Schleifschei­ be aus. Der Sensor umfaßt einen Sender und einen Em­ pfänger, die beide in einer Kammer geschützt angeord­ net sind, wobei die Kammer mit Ausnahme einer vorde­ ren Öffnung allseitig geschlossen ist. Durch die er­ wähnte Öffnung können der von dem Sender ausgestrahlte Lichtstrahl sowie der von der Schleifscheibe reflektierte zum Empfänger gelangende Lichtstrahl austreten. Die Kammer wird außerdem in ihrem Inneren mit Druckluft beaufschlagt, die durch die erwähnte Öffnung in Rich­ tung auf die Schleifscheibe als Luft- oder Gasstrom austritt und somit verhindert, daß Schmutzpartikel zum Sender und Empfänger gelangen können.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung zu entnehmen.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer Schleifscheibe mit ei­ nem zugeordneten Sensor,

Fig. 2 eine schematische Seitenan­ sicht eines Sensors für eine Schleifscheibe,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer optimalen Oberflächen­ struktur einer Schleifscheibe,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer im Betrieb gemessenen Oberflächenstruktur einer Schleifscheibe,

Fig. 5 eine Seitenansicht einer Schleif­ scheibe, und

Fig. 6 eine Vorderansicht auf die Ober­ fläche einer Schleifscheibe.

In der Anordnung gemäß Fig. 1 wird eine runde Schleif­ scheibe 14 von einem Motor 16 angetrieben, dem ein Win­ kelcodierer 18 zugeordnet ist. Mit der Schleifschei­ be 14 wird ein Werkstück 20, z.B. eine Welle, ge­ schliffen.

Auf der dem Werkstück 20 radial gegenüberliegenden Seite der Schleifscheibe 14 befindet sich ein in Rich­ tung des Doppelpfeiles A und gegebenenfalls auch in Richtung C verstellbarer Sensor 10 mit einem der Schleif­ scheibe 14 zugewandten Sensorkopf 12.

Wie die Darstellung in Fig. 2 verdeutlicht, sind im Sensorkopf 12 ein Sender 32 und ein Empfänger 38 an­ geordnet. Der Sender 32 und der Empfänger 38 sind Bestandteile des optischen Sensors 10, der nach dem an sich bekannten Prinzip der Triangulationsmeßtech­ nik aufgebaut ist.

Der Sensorkopf 12 wird durch eine Kammer 24 gebildet, die allseitig geschlossen ist, mit Ausnahme eines vorderen, der Schleifscheibe 14 zugewandten Schlitzes 26 und einer mit einem Schlauch 30 verbundenen Öff­ nung 28. Durch den Schlitz 26 können der von dem Sen­ der 32 erzeugte Lichtstrahl 34 (Laserstrahl) sowie der von der Oberfläche 22 der Schleifscheibe 14 re­ flektierte Lichtstrahl 36 zum Empfänger 38 hindurch­ treten.

Über den Schlauch 30 wird in die Kammer 24 Druckluft 54 geführt, die durch den Schlitz 26 der Kammer 24 als Luftstrom 52 austritt. Durch diesen auf die Ober­ fläche 22 der Schleifscheibe 14 gerichteten Luftstrom werden Schmutzpartikel weggeblasen, es wird also ver­ hindert, daß diese Schmutzpartikel in die Kammer 24 zu dem dort geschützt angeordneten Sender 32 und Em­ pfänger 38 gelangen können. Deshalb ist es möglich, ein optisches berührungsloses Meßverfahren trotz der beim Schleifen enstehenden Schmutzpartikel anzuwen­ den. Außerdem wird die Oberfläche 22 der Schleifschei­ be 14 durch den Luftstrom 52 auch von einer verwen­ deten Kühlflüssigkeit für den Schleifvorgang gesäu­ bert, so daß die Meßstelle einwandfrei sauber ist.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung die Oberflächenstruktur einer abgerichteten Schleifschei­ be 14 längs einer linearen Achse. Die Oberflächen­ struktur 40 gibt also längs einer linearen Achse eine Querschnittsdarstellung der Oberfläche 22 der Schleifscheibe 14. Wie zu erkennen ist, besitzt die Querschnittskurve der Oberflächenstruktur 40 über­ wiegend scharfe spitze Kanten, d.h., die Schleif­ scheibe befindet sich in einem optimalen Zustand.

Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung ei­ ne mit dem optischen Sensor 10 im praktischen Be­ trieb ermittelte Meßkurve einer Oberflächenstruk­ tur 42. Während die optimale Kurve in Fig. 3 noch in etwa gerade verläuft, ist in Fig. 4 eine Modula­ tion zu erkennen, die der Oberflächenstruktur 42 überlagert ist und von einer Modulation der Schleif­ scheibenoberfläche herrührt.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 mit der Schleifschei­ be 14 und dem Werkstück 20 handelt es sich nämlich um ein schwingfähiges Gebilde, mit der Folge, daß sich die Welligkeit aufgrund dynamischer Wechselwir­ kungen zwischen Werkstück und Werkzeug einstellen kann. Die Umfangslinie der Schleifscheibe 14 verläuft also nicht ideal mit gleichbleibendem Radius, viel­ mehr treten - ohne Berücksichtigung der Oberflächen­ struktur 42 selbst - Bereiche mit unterschiedlichen Radien auf, wodurch sich die modulierte Kurvendar­ stellung in Fig. 4 ergibt. Zur Verdeutlichung ist gestrichelt in vereinfachter Form die ideale Umfangs­ linie 56 dargestellt.

Mit dem optischen Sensor 10 und der Triangulations­ meßtechnik läßt sich also nicht nur die Topographie der Oberfläche 22 erfassen, vielmehr können nach ei­ ner Tiefpaßfilterung auch Umwuchten oder Welligkeiten der Schleifscheibe 14 festgestellt werden. Wenn nun diese Umwuchtungen oder Welligkeiten so groß werden, daß sie vorgegebene Grenzwerte bzw. Grenzlinien 44 überschreiten, muß die Schleifscheibe neu abgerichtet oder ausgewuchtet werden, auch wenn die Oberflächen­ struktur 40 selbst noch scharf genug sein sollte.

Neben der Auswertung der geschilderten Welligkeiten kann ferner auch die Oberflächenstruktur 40 selbst ausgewertet werden, und wenn diese keine scharfen Kanten mehr aufweist, sondern überwiegend flache Run­ dungen besitzt, muß die Oberfläche 22 der Schleif­ scheibe 14 ebenfalls abgerichtet werden.

Aufgrund der meßtechnischen Erfassung der Oberfläche 22 der Schleifscheibe 14 nach einem berührungslosen optischen Meßverfahren läßt sich nunmehr der Zeit­ punkt für das Abrichten der Schleifscheibe 14 bestim­ men, so daß die eingangs erwähnten Nebenzeiten verrin­ gert werden können.

Mit Hilfe des Winkelcodierers 18 (vgl. Fig. 1) kann bei der meßtechnischen Erfassung der Oberfläche 22 der Schleifscheibe 14 gemäß Fig. 5 ein Bezugspunkt 46 definiert werden. Bei einer Drehung der Schleif­ scheibe 14 in Richtung des Pfeiles B ist es somit möglich, wählbare einzelne Abschnitte 48 auf der Oberfläche 22 definiert zu erfassen und gegebenen­ falls auch graphisch oder optisch darzustellen bzw. meßtechnisch auszuwerten.

In der Vorderansicht der Schleifscheibe 14 in Fig. 6 ist auf der Oberfläche ein schmaler Streifen 50 ge­ zeigt. Längs dieses Streifens 50 erfolgt die berüh­ rungslose Messung der Oberfläche 22 der Schleifschei­ be 14. Durch eine örtliche Lageveränderung des Sen­ sors 10 in Richtung der Achse der Schleifscheibe 14 läßt sich auch die örtliche Lage des Streifens 50 auf der Oberfläche 22 nach Wunsch verändern. Im übri­ gen hat sich gezeigt, daß es genügt, den schmalen Streifen 50 meßtechnisch zu erfassen, daß es also nicht erforderlich ist, die gesamte Oberfläche 22 über ihre Breite zu messen.

Weiter oben wurde schon erwähnt, daß die Anordnung gemäß Fig. 1 ein schwingfähiges Gebilde darstellt. Für den Fall, daß sich Schwingungen über die Befesti­ gung des Sensors und seiner Justiervorrichtung auf den Sensor 10 selbst übertragen sollten, wodurch das Meßsignal beeinflußt werden könnte, besteht die Mög­ lichkeit, durch einen weiteren Sensor eine Kompen­ sation zu bewirken. Der weitere Sensor mißt den Weg, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung der Schwingbewegungen, und über eine Auswertung dieser Größen läßt sich eine Kompensation der störenden Schwingung erreichen.

Bei dem verwendeten Meßverfahren wird die Auflösung, mit der man Strukturen auf der Oberfläche der Schleif­ scheibe 14 erfassen kann, unter anderem von Durchmesser des Lichtpunktes auf dem Objekt - Oberfläche der Schleifscheibe 14 - beeinflußt. In vorteilhafter Weise wird bewußt ein sehr kleiner Lichtpunktdurchmesser ver­ wendet, um noch Korngrößen erfassen zu können. Als zweckmäßig hat sich ein Lichtpunktdurchmesser des von dem Sender 32 auf die Schleifscheibe 14 projezierten Lichtstrahls von etwa 0,1 mm erwiesen.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungs­ beispiel beschränkt; vielmehr sind im Rahmen des all­ gemeinen Erfindungsgedankens mancherlei andere Aus­ führungen denkbar. Beispielsweise ist es möglich, so­ wohl dem Sender 32 als auch dem Empfänger 38 jeweils eine eigene Kammer zuzuordnen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Erfassung der Oberfläche (Schleifbelag) von in Betrieb befindlichen Schleif­ scheiben, insbesondere von Schleifscheiben, die für Rundschleifverfahren verwendet werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Oberfläche (22) der Schleif­ scheibe (14) berührungslos mittels eines optischen Sensors (10), der einen Sender (32) und Empfänger (38) als optische Meßeinrichtung umfaßt, gemessen wird, und daß der Sender (32) und der Empfänger (38) durch einen Gasstrom (52) vor Verschmutzung ge­ schützt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor (10) in radialer Richtung (A) der Schleifscheibe (14) bewegbar angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Drehwinkelstellung der Schleifscheibe (14) zur Auswertung der Messung durch den optischen Sensor (10) herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung nach dem Prinzip der an sich bekannten Triangulations­ meßtechnik durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Topo­ graphie der Oberfläche (22) der Schleifscheibe (14) gemessen wird.

6. Vorrichtung zur Erfassung der Oberfläche (Schleifscheibe) von in Betrieb befindlichen Schleif­ scheiben, insbesondere von Schleifscheiben, die für Rundschleifverfahren verwendet werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung durch einen optischen Sensor (10) zur berührungslosen Messung der Ober­ fläche (22) der Schleifscheibe (14) gebildet ist, daß der Sensor (10) einen Sender (32) und einen Em­ pfänger (38) umfaßt, die in einem durch eine Kammer (24) gebildeten Sensorkopf (12) angeordnet sind, daß die Kammer (24) mit Ausnahme mindestens einer vorderen Öff­ nung (26) allseitig geschlossen und in ihrem Innen­ raum mit Druckluft (54) beaufschlagt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnung als Schlitz (26) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 und/oder 7, da­ durch gekennzeichnet, daß sie in radialer Richtung (A) der Schleifscheibe (14) bewegbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sensor (10) nach dem Triangulationsmeßprin­ zip aufgebaut ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-9, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf der dem mit der Schleifscheibe (14) zu bearbei­ tenden Werkstück (20) gegenüberliegenden Seite der Schleifscheibe (14) im Abstand angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß der die Schleifscheibe (14) antreibende Motor (16) ei­ nen Winkelcodierer (18) besitzt.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (32) des Sensors (10) einen Lichtstrahl auf die Ober­ fläche (22) der Schleifscheibe projeziert, wobei der Lichtstrahl einen sehr kleinen Lichtpunktdurch­ messer von etwa 0,1 mm besitzt.