DE4133539C1 - Machine tool positioning system - determines position of groove on workpiece, giving voltage corresp. to circumference, and angular position of tool spindle, and uses phase difference between two sets of signals to position motors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrtifft eine Vorrichtung zum selbstständigen, reproduzierbaren Positionieren eines Verzahnungs- oder Nutenbearbeitungswerkzeuges bezüglich eines Werkstückes mit einer vorgefertigten Zahnung oder Nutung, wobei das Werkzeug auf einer Werkzeugspindel angeordnet ist, die quer oder schräg zu einer Werkstückspindel verläuft und mittels Stellmotoren in Richtung ihrer Achse und quer dazu verstellbar ist und wobei zur Ermittlung der Winkellage der Zahnung bzw. Nutung des Werkstückes in Umfangsnähe des Werkstückes eine ortsfeste elektronische Tasteinrichtung und zur Ermittlung der Winkellage der Werkzeugspindel an dieser eine zweite ortsfeste elektronische Tasteinrichtung angeordnet sind, deren beider Signale einem Prozeßrechner zugeführt werden, welcher die Phasendifferenz zwischen Referenzsignalen und Meßsignalen dieser Tasteinrichtungen ermittelt und durch Vergleich ein Steuersignal als Stellgröße zur Steuerung der Stellmotoren erzeugt.

Bei einer Zahnflankenschleifmaschine (Sowjetischer Urheberschein Nr. 200 934) sind zur automatischen Einstellung der Gänge einer Schleifschnecke gegenüber den Zähnen eines vorgefertigten Zahnrades induktive Positionsgeber vorgesehen. Die Positionsgeber sind mit einem Phasenmesser verbunden, welcher über einen elektrischen Verstärker zur Positionierung der Schleifschnecke bzgl. den Zahnlücken des Zahnrades einen Stellmotor ansteuert, welcher die Schleifschneckenwelle in Achsrichtung verschiebt. Der induktive Positionsgeber des Zahnrades ist mit einem U- förmigen Anker versehen und am Umfang des Zahnrades so angeordnet, daß die Schenkel des U-förmigen Ankers zum Zahnrad hinweisen. Der Abstand der Schenkel des Ankers entspricht dabei dem Abstand der Zähne des Zahnrades. Das Zahnrad dient dem Positionsgeber als Rotor und die beiden Schenkel des Ankers als Stator, wobei die Schenkel des Ankers einen Zahnsektor bilden.

Zur Bezugsmessung wird die Schleifschnecke im Stillstand der Anordnung manuell mit der Zahnung des Zahnrades in Eingriff gebracht. Die beiden Positionsgeber werden nacheinander mit einem Milliamperemeter verbunden, wobei zunächst der Positionsgeber der Schleifschneckenwelle so lange axial verschoben wird, bis das Milliamperemeter auf Null abgeglichen ist. In einem zweiten Schritt wird das Milliamperemeter an den Positionsgeber des Zahnrades angeschlossen, dessen Nullabgleich durch Versetzen des Positionsgebers des Zahnrades am Umfang des Zahnrades erfolgt. Damit ist die Ausgangslage der Schleifschnecke und des Zahnrades eingestellt. Die Positionsgeber schalten sich auf den Phasenmesser um, so daß beim Bearbeiten weiterer Zahnräder dieser eine Phasendifferenz zwischen der Zahnteilung der Zahnräder und der Zahnteilung der Schleifschneckenwindungen mißt und entsprechend dieser Phasendifferenz ein proportionales Stellsignal über einen Verstärker dem Stellmotor zuführt. Der Stellmotor verschiebt die Schleifschnecke entsprechend der Größe des Stellsignales in axialer Richtung, bis die Phasendifferenz null ist.

Da das Werkstück in den elektromagnetischen Kreis des einen iduktiven Gebers als Rotor eingeschaltet ist, ist es erforderlich, daß die zu bearbeitenden Zahnräder aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Des weiteren ist es erforderlich, daß die Schenkel des U-förmigen Ankers des Positionsgebers einen auf die Zahnteilung abgestimmten Abstand voneinander aufweisen, so daß man für unterschiedliche Zahnteilungen auch unterschiedliche Anker bzw. Positionsgeber benötigt. Außerdem ist die Ermittlung der Bezugsgröße bzw. die Durchführung des Abgleichs äußerst umständlich und auch ungenau, da sie zum einen manuell erfolgt und zum anderen jeweils nur ein Teil der Zahnung eines Zahnrades zum Abgleich herangezogen wird, nämlich der Teil, der mit der Schleifschnecke in Eingriff gebracht ist. Dies hat aber zur Folge, daß eventuelle Teilungsfehler des Zahnrades keine Berücksichtigung finden. Auch ist die Genauigkeit der Bezugsmessung in starkem Maße von der Güte der verwendeten Meßinstrumente, insbesondere des Milliamperemeters, abhängig, so daß eine genaue Nulljustierung der Anordnung nur mit äußerst hochempfindlichen Meßgeräten möglich ist.

Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung (DE-OS 33 14 793) wird das vorverzahnte Werkzeug mittels eines Positionierungsfingers in einer Aufspannlage fixiert. In dieser Aufspannlage stimmt die Zahnung des Zahnrades mit derjenigen eines schneckenförmigen Werkzeuges überein, wenn dieses mit seiner Arbeitsdrehzahl eine Referenz-Winkellage durchläuft, welche durch eine Nullindexmarke eines Werkzeug-Impulsgebers bestimmt ist. Nach dem Entfernen des Positionierungsfingers wird beim nächsten Durchlauf der Nullindexmarke der Werkstückantrieb gestartet, wobei von einer Recheneinheit die Impulse des Drehimpulsgebers des Werkzeuges gezählt und mit den gleichzeitig gezählten Impulsen eines Werkstück-Impulsgebers verglichen werden. Mit dem von der Recheneinheit ermittelten Vergleichssignal wird der Werkstückantrieb zum Erreichen des Gleichlaufs zwischen Werkzeug und Werkstück gesteuert. Bei Gleichlauf wird die Drehwinkelabweichung des Werkstückes bzgl. des Werkzeuges ermittelt. Diese wird von der Recheneinheit durch entsprechende Ansteuerung des Werkstückantriebes ausgeregelt, indem die Werkstückdrehzahl so lange variiert wird, bis bei Synchrondrehzahl auch die Abweichung der beiden Impulse gleich null ist. Nach Erreichen dieses Zustandes wird das Werkzeug in das Werkstück zur Nachbearbeitung eingefahren.

Durch die Fixierung des Werkstückes mittels des Positionierungsfingers wird bei der Referenzmessung das Auftreten von Teilungsfehlern bzw. Fehlern der Verzahnung nicht berücksichtigt. Desweiteren sind Fehlmessungen dieser Referenzlage des Werkstückes dadurch gegeben, daß eventuelle Verschmutzungen in dieser einen Zahnlücke, in welcher der Positionierungsfinger eingefahren ist, einen Fehler bei der Ermittlung der Referenzwinkellage des Werkstückes ergeben, welcher bei der weiteren Nachbearbeitung des Werkstückes auf alle anderen Zähne des Werkstückes übertragen werden, so daß eine genaue Maßhaltigkeit des Werkstückes nicht einhaltbar ist. Desweiteren ist die Einstellung auf die Nullindexmarke als Referenzgröße äußerst zeitraubend, da diese Einstellung im Stillstand des Werkzeuges erfolgen muß. Außerdem benötigt das Hochfahren des Werkstückes nach der Referenzmessung auf Synchrondrehzahl und das anschließende Ausregeln der Drehwinkelverschiebung durch Drehzahlvariation der Werkstückspindel relativ viel Zeit.

Bei einer bekannten Vorrichtung (DE-PS 34 02 429) der eingangs genannten Art zum selbstständigen Positionieren eines Verzahnungs- oder Nutenbearbeitungswerkzeuges in Form eines Abwälzfräsers oder einer Schleifschnecke in Bezug auf eine bereits vorhandene Zahnung oder Nutung sind elektronische Impulsgeber in Form von Näherungsschaltern vorgesehen. Ein erster Näherungsschalter ist dabei in Umfangsnähe einer drehfest auf der Werkzeugspindel befestigten Scheibe angeordnet, welche eine Impulsmarkierung in Form eines radialen Einschnittes am Umfang der Scheibe abtastet, während sich die Werkzeugspindel in Drehung befindet. Ein zweiter Näherungsschalter ist in Umfangsnähe der vorgefertigten Zahnung eines Werkstückes angeordnet, welcher die Zahnköpfe der Zahnung während der Drehung des Werkstückes abtastet. Die beiden Impuls-Signale der beiden Näherungsschalter werden einem Prozeßrechner bzw. Mikroprozessor zugeführt.

Zur Ermittlung einer Steuer- oder Stellgröße mit einem aus der Serienfertigung der nachzuarbeitenden, vorverzahnten Werkstücke wird eine Referenzmessung durchgeführt. Dazu wird durch manuelle Steuerung des Abwälzfräsers die Ausrichtung der Fräserzähne auf die Zahnlückenmitte der Zahnung des Werkstückes vorgenommen. D. h. die Fräserzähne werden manuell mit der Zahnung flankenspielfrei in Eingriff gebracht. Die elektronische Referenzmessung erfolgt anschließend bei laufender Maschine und bei eingeschalteter Schaltungsanordnung. Die Impulsfolgen der Näherungsschalter werden dabei dem Prozeßrechner zugeleitet. Der Mikroprozessor des Prozeßrechners mißt den zeitlichen Abstand zwischen dem Fräserimpuls und dem zeitlich unmittelbar darauffolgenden Zahnradimpuls. Um als Referenzgröße einen absoluten Wert zur Verfügung zu haben, wird die ermittelte Zeitdifferenz der Impulse durch die Periodendauer zweier aufeinanderfolgender Fräserimpulse dividiert. Die sich ergebende Referenzgröße wird in einem Speicher des Mikroprozessors abgespeichert. Das eingespannte Werkstück kann dann nach Durchführung dieser Referenzmessung bearbeitet werden.

Die Ausrichtung der Fräserzähne auf die Zahnlücken der Verzahnung eines neu eingespannten Werkstückes der gleichen Serie erfolgt automatisch. Dabei wird mit Hilfe der beiden Impulsfolgen des Fräsers und des Werkstückes die Zeitdifferenz dieser Impulse ermittelt und mit der abgespeicherten Impulsfolge aus der Referenzmessung verglichen. Der daraus erhaltene absolute Wert der Phasenverschiebung wird dann im Mikroprozessor rechnerisch durch Differenzbildung mit dem bereits gespeicherten Referenzwert verglichen. Der sich ergebende Differenzwert wird zur Steuerung eines Schrittschaltmotors benutzt wird, welcher den Fräser entsprechend in seiner axialen Richtung verschiebt. Wenn die axiale Verstellung der Werkzeugspindel mit dem Abwälzfräser entsprechend der ermittelten Stellgröße erfolgt ist, kann das neu aufgespannte Werkstück nachbearbeitet werden.

Bei dieser Vorrichtung ist es notwendig, zur Sicherheit und zum Eliminieren von eventuellen Meßfehlern, die beispielsweise durch Metallspäne oder sonstige Verunreinigungen an den abgetasteten Zähnen oder aber an der Impulsmarkierung sowie durch Rundlauf- oder Teilungsfehler entstehen können, die Messung mehrmals zu wiederholen. Dies gilt nicht nur für die Referenzmessung, sondern ist auch bei der mit jedem neuen Werkstück neu zu ermittelnden Phasendifferenz notwendig. Außerdem ist die Genauigkeit der Messungen in starkem Maße von der Qualität der Näherungsschalter abhängig. Des weiteren ist bei dieser Vorrichtung zur Korrektur der Phasendifferenz eine Verstelleinrichtung, beispielsweise in Form eines Schrittschaltmotors, welcher die Werkzeugspindel in ihrer Achsrichtung verschiebt zwingend notwendig.

Aus Maschinenmarkt 83 (1977). Seiten 1614 bis 1616 ist auch bereits eine Anlage zum Messen der Profilabweichungen an Zahnrädern bekannt, bei der zur Abtastung des Verlaufs der Außenkontur eines Zahnrades ein elektronischer Analogsensor in Form eines induktiven Wegaufnehmers vorgesehen ist, dessen Amplitudenverlauf einem Analog/Digitalwandler zugeführt wird. Das digitalisierte Meßsignal wird dann in einem Prozeßrechner dazu benutzt, Profilabweichungen zu ermitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß sie zeitsparender und präziser arbeitet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Kombination der im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine erheblich höhere Meßgenauigkeit erreicht. Die Meßgenauigkeit ist dabei im wesentlichen von der Anzahl der Abtastungen des Analog/Digitalwandlers, d. h. von der Größe der Abtastintervalle, abhängig. Desweiteren sind die diskreten digitalen Meßsignale des Analog/Digitalwandlers in einfacher Weise durch Kovarianzreihenbildung auswertbar. Durch die Anwendbarkeit dieses mathematischen Verfahrens ist die Meßgenauigkeit unabhängig von den Toleranzen des Analogsensors oder des Meßumformers, da deren Toleranzen nicht in die Berechnung der Phasenverschiebung mit eingehen. Da es sich, beispielsweise bei der Abtastung einer Verzahnung, beim Referenzsignal und beim Meßsignal um periodische Signale handelt, erhält man auch eine periodische Kreuzkovarianzreihe bei der Kreuzkovarianzanalyse der beiden Signale mit mehreren gleichwertigen Maxima, deren Abstände jeweils der Periodendauer des Referenzsignals und des Meßsignals entsprechen. Durch eine arithmetische Mittelwertbildung und evtl. Gewichtung der einzelnen Maxima, können Fehler durch Rundlauf, Taumel oder Verschmutzung gering gehalten werden bzw. ausgeschlossen werden.

Es wird eine vollautomatische Positionierung des Abwälzfräsers in Bezug auf die Verzahnung des eingespannten Werkstückes bzw. die Ausrichtung der Fräserzähne auf die Zahnlückenmitte der Verzahnung des Werkstückes erreicht. Das Referenzsignal wird dabei durch einen zweiten Analogsensor erzeugt, welcher in Umfangsnähe des Fräswerkzeuges angeordnet ist und dessen Außenkontur abtastet. Ein Einrichtungsvorgang oder die Bestimmung eines Referenzsignales durch eine separate Referenzmessung entfällt, so daß auch Werkstücke unterschiedlicher Serien mit unterschiedlichen Werkzeugen automatisch ausgerichtet und nachbearbeitet werden können.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Werkstück- und Werkzeuganordnung einer Zahnrad-Wälzfräsmaschine in perspektivischer Darstellung mit einem Analogsensor;

Fig. 2 die prinzipielle Anordnung eines vorverzahnten Werkstückes und eines Analogsensors mit angekoppeltem Meßwertumformer;

Fig. 3 das Analogsignal U_A des Analogsensors in Abhängigkeit vom Drehwinkel α der Werkstückspindel;

Fig. 4 den Startimpuls beim Drehwinkel α₀, das digitalisierte Referenzsignal X_ref und das digitalisierte Meßsignal X_pos in Abhängigkeit vom Drehwinkel α;

Fig. 5 die aus dem digitalen Referenzsignal X_ref und dem digitalen Meßsignal X_pos gebildete periodische Kreuzkovarianzreihe in Abhängigkeit vom Drehwinkel α;

Fig. 6 ein Prinzipschaltbild einer Positioniervorrichtung mit zwei Analogsensoren und angekoppelter Maschinensteuerung;

Fig. 7 eine Darstellung der prinzipiellen Anordnung eines schneckenförmigen Abwälzfräsers mit Analogsensor und angekoppeltem Meßumformer;

Fig. 8 das analoge Referenzsignal U_F des Analogsensors des Abwälzfräsers in Abhängigkeit vom Drehwinkel α;

Fig. 9 den Startimpuls beim Drehwinkel α₀, das digitalisierte Referenzsignal X_F des Abwälzfräsers und das digitalisierte Meßsignal X_pos des vorverzahnten Werkstückes in Abhängigkeit vom Drehwinkel α.

Die Fig. 1 zeigt eine Teilansicht einer Wälzfräsmaschine 1 in Horizontalbauweise. Die Wälzfräsmaschine ist mit einem Vertikalständer 2 vesehen, in welchem eine horizontal verlaufende Werkstückspindel 3 gelagert ist. Der Vertikalständer 2 ist an seinem oberen Ende mit einem Gegenhalter 4 versehen, welcher aus einem Horizontalarm 5 besteht, der an seinem freien Ende einen vertikal nach unten verlaufenden Lagersteg 6 aufweist. Der Horizontalarm 5 verläuft parallel zur Drehachse 7 der Werkstückspindel 3. Im Lagersteg 6 ist koaxial zur Drehachse 7 eine Lagerung 8 zur drehbaren Aufnahme eines Zentrierkegels 9 vorgesehen. In die Werkzeugspindel 3 ist ein zylindriches Werkstück 10 eingespannt, welches an seinem freien Ende 11 durch den Zentrierkegel 9 schlagfrei geführt ist. Das zylindrische Werkstück 10 ist mit einer vorgefertigten Verzahnung 12 versehen, welche als Kerbverzahnung ausgebildet ist. Unterhalb der Werkzeugspindel 3 bzw. des eingespannten Werkstückes ist ein tellerartiger Werkzeugspindelkopf 13 angeordnet, welcher auf seiner Oberseite mit einer Werkzeugspindel 14 versehen ist, deren Drehachse 15 horizontal und quer zur Drehachse 7 der Werkstückspindel verläuft. Die Werkzeugspindel 14 ist in einem auf dem Werkzeugspindelkopf 13 befestigten Spindelstock 16 drehbar gelagert. Im Spindelstock 16 ist ein Schrittschaltmotor 17 angeordnet, mittels welchem die Werkzeugspindel 3 in Richtung ihrer Drehachse 15 verschiebbar ist, wobei kleinste Schrittgrößen in der Größenordnung von einem hundertstel Millimeter oder darunter erreichbar sind. Der Werkzeugspindelkopf 13 weist auf der dem Spindelstock 16 gegenüberliegenden Seite einen Lagerbock 18 auf, welcher mit einem koaxial zur Drehachse 15 der Werkzeugspindel 14 angeordneten Führungslager 19 versehen ist. Die Werkzeugspindel 14 weist einen Werkzeugdorn 20 auf, mit welchem ein Abwälzfräser 21 drehfest verbunden ist. Der Abwälzfräser 21 verläuft koaxial zur Drehachse 15 und ist auf der dem Werkzeugdorn gegenüberliegenden Seite im Führungslager 19 drehbar gelagert, so daß ein traumfreier Rundlauf des Abwälzfräsers 21 sichergestellt ist. Auf dem rückwärtigen Wellenende der Werkzeugspindel 14 ist ein Drehwinkelgeber 22 angeordnet, dessen Signale zur Feststellung der aktuellen Winkellage der Werkzeugspindel 14 einem Prozeßrechner 23 (Fig. 6) zugeführt werden. Auf der Werkstückspindel 3 ist ein zweiter Drehwinkelgeber 24 angeordnet, dessen Signale zur Feststellung der Drehwinkellage der Werkstückspindel 3 ebenfalls dem Prozeßrechner 23 (Fig. 6) zugeführt werden.

Der Werkzeugspindelkopf 13 ist mit mehreren Stellantrieben versehen, mittels welcher er in seiner horizontalen und in seiner vertikalen Lage einstellbar und verschiebar ist. Desweiteren ist der Werkzeugspindelkopf 13 mittels eines weiteren Stellmotors um seine vertikale Zentralachse 25 drehbar und einstellbar. Der Abwälzfräser 21 ist in Form eines Schneckenfräsers ausgebildet, dessen Schneckengänge durch Spannuten 26 unterbrochen sind, so daß die zwischen den Spannuten 26 verbleibenden Elemente die Schneidzähne 27 des Abwälzfräser 21 bilden. Die horizontal und quer zur Drehachse 7 der Werkstückspindel 3 verlaufende Drechachse 15 der Werkzeugspindel 14 ist entsprechend der Steigerung der Schneckengänge des Abwälzfräsers 21 schräg zur Drehachse 7 angestellt, so daß die zum Werkstück hin liegenden Schneidzähne 27 parallel zur Drehachse 7 der Werkstückspindel 3 und damit parallel zur Werkstückachse verlaufen.

Unterhalb des Horizontalarmes 5 ist im Bereich der Verzahnung 12 des Werkstückes 10 ein Analogsensor 28 angeordnet, welcher zur Verzahnung 12 einen geringen Abstand aufweist.

Um eine vorgefertigte Verzahnung 12 eines gehärteten Werkzeuges 10 beispielsweise nach dem Härten nacharbeiten zu können, ist es notwendig, den Abwälzfräser 21 mit seinen Schneidzähnen 27 exakt auf die Zahnlücken 29 der Verzahnung 12 des Werkstückes 10 auszurichten. Dadurch wird erreicht, daß exakt teilungsgleiche Zahnprofile beim Nacharbeiten der vorgefertigten Verzahnung 12 entstehen.

Zur Durchführung dieser exakten Positionierung des Abwälzfräsers 21 gegenüber der Verzahnung 12 tastet der Analogsensors 28 die Außenkontur der Verzahnung 12 ab. Der Analogsensor 28 liefert ein seinem aktuellen Abstand S von der Außenkontur der Verzahnung 12 des Werkstückes 10 proportionales Analogsignal, während sich das Werkstück 10 in Richtung des Pfeiles 30 dreht. Ein Meßwertumformer 31 wandelt das Analogsignal des Analogsensors 28 in eine dem Abstand S proportionale Ausgangsspannung U_A um. Fig. 2 zeigt die prinzipielle Anordnung des Analogsensors 28 bezüglich des Werkstückes 10 mit Meßwertumformer 31. Die Ausgangsspannung U_A schwankt dabei in Abhängigkeit vom Drehwinkel α der Werkstückspindel 3 zwischen einem maximalen und einem minimalen Wert, wobei der Periodenabstand α_p zweier benachbarter Maxima M dem Winkelabstand α_K zweier benachbarter Zahnköpfe 32 der Verzahnung 12 entspricht. Ein solcher Spannungsverlauf der Ausgangsspannung U_A in Abhängigkeit vom Drehwinkel α der Werkstückspindel 3 ist in Fig. 3 dargestellt.

Die analoge Ausgangsspannung U_A wird durch einen Analog/Digital-Wandler 33 (Fig. 6) in vorbestimmten Abtastintervallen α_S digitalisiert und im Speicher des Prozeßrechners 23 (Fig. 6) abgespeichert. Die Größe des Abtastintervalles α_S wird dabei in Winkeleinheiten vorgegeben, so daß bei der Abtastung der analogen Ausgangsspannung U_A Fehlmessungen auf Grund von eventuell auftretenden Drehzahlschwankungen des Spindelantriebs sicher ausgeschlossen sind. Die Erfassung der zugehörigen Winkellage α der Werkstückspindel 3 erfolgt mittels des Drehwinkelgebers 24, dessen Winkelsignale gleichzeitig erfaßt werden und ebenfalls im Speicher des Prozeßrechners 33 abgespeichert werden, so daß eine eindeutige Zuordnung der Ausgangsspannung U_A zur Winkellage α der Werkstückspindel 3 sichergestellt ist. Gleichzeitig wird ebenfalls das Signal des Drehwinkelgebers 22 der Werkzeugspindel 14 an den Prozeßrechner 33 übergeben, so daß auch parallel zur Erfassung der Winkellage α der Werkstückspindel 3 die Winkellage der Werkzeugspindel 14 erfaßt und abgespeichert wird.

Zur genauen Ausrichtung der Schneidzähne 27 des Abwälzfräser 21 auf die Zahnlücken 29 der Verzahnung 12 wird ein einmaliger Einrichtvorgang durchgeführt. Durch manuelle Steuerung wird der Abwälzfräser 21 so positioniert, daß dessen Schneidzähne 27 in die Verzahnung 12 des Werkstückes 10 spielfrei eingreifen. In dieser Position befinden sich Werkstück 10 und Werkzeug 21 in richtiger Lage zueinander, so daß eine einwandfreie Nachbearbeitung der Zahnflanken des Werkstückes 10 ermöglicht ist.

Die so eingerichtete Wälzfräsmaschine 1 wird gestartet. Der Drehwinkelgeber 24 der Werkzeugspindel 3 ist mit einer Nullindexmarke versehen, welche den Startpunkt der Messung bestimmt. Beim Durchlauf durch die entsprechende Nullwinkellage α₀ (Fig. 4) gibt der Drehwinkelgeber 23 einen Startimpuls I ab, wodurch die Abtastung der Verzahnung 12 gestartet wird. Der Analogsensor 28 liefert über den Meßwertumformer 31 das in Fig. 3 dargestellte Analogsignal U_A, welches vom Analog/Digital-Wandler 33 digitalisiert wird. Durch die Digitalisierung ergeben sich im Abstand jeweils eines Abtastintervalles α_S diskrete, einzelne Spannungsausschläge 39 in Abhängigkeit vom Drehwinkel α (Fig. 4). Dieses digitale Signal bildet das Referenzsignal X_ref und wird zusammen mit den zugehörigen Signalen der beiden Drehwinkelgeber 22 und 24 im Speicher des Prozeßrechners 23 als Referenzgröße abgespeichert. Die Meßdauer bei dieser Referenzmessung kann variabel gestaltet werden und liegt im Bereich zwischen der Messung eines Zahnes und der Abtastung der kompletten Verzahnung 12 des Werkstückes 10 über den einen Gesamtdrehwinkel von 360°, wobei zur Vermeidung von Meßfehlern die Abtastung der gesamten Verzahnung 12 vorzuziehen ist. Die Periodendauer α_p des periodischen Referenzsignales X_ref entspricht dabei dem Abstand zweier aufeinanderfolgender Zahnköpfe 32 der Verzahnung 12. Die Verzahnung 12 des Werkstückes 10 wird nachfolgend in der bestehenden Aufspannung nachgearbeitet.

Zur Nachbearbeitung eines weiteren Zahnrades bzw. einer weiteren Verzahnung eines Werkstückes aus der gleichen Serie wird das Werkstück auf die Wälzfräsmaschine 1 aufgespannt. Eine Nachbearbeitung dieses neu aufgespannten Werkstückes ist nicht ohne weiteres möglich, da die Winkellage seiner Verzahnung gegenüber der Werkzeugspindel 3 und damit gegenüber dem Wälzfräser nicht der Winkellage der Verzahnung 12 des Werkstückes 10 bei der Referenzmessung entspricht. Um diesen Lageunterschied, d. h. die Phasendifferenz zum Referenzteil bestimmen zu können, wird die Verzahnung des neu aufgespannten Werkstückes entsprechend der Meßdauer bei der Referenzmessung ebenfalls abgetastet. Der Meßvorgang entspricht dem der Referenzmessung. Das Analogsignal des Analogsensors 28 wird im gleichen Abtastintervall α_s wie bei der Referenzmessung digitalisiert. Das digitalisierte Signal X_pos dieser Positionsmessung wird zusammen mit den Signalen der beiden Drehwinkelgeber 22 und 24 ebenfalls an den Prozeßrechner 23 übergeben. In Fig. 4 sind die beiden digitalen Signale X_ref und X_pos aus der Referenzmessung und der Positionsmessung des zweiten Werkstückes zusammen mit dem Startimpuls I beispielhaft dargestellt. Der Prozeßrechner 23 vergleicht mit Hilfe eines im folgenden noch näher erläuterten mathematischen Verfahrens das Referenzsignal X_ref und das Meßsignal X_pos miteinander und berechnet die bestehende Phasenverschiebung des zweiten Werkstückes zum Referenzwerkstück 10. Aus der berechneten Phasenverschiebung wird eine Steuersignal erzeugt, das über die Maschinensteuerung 34 der Wälzfräsmaschine 1 eine entsprechende Ansteuerung der Stellmotoren des Werkzeugspindelkopfes 13 bewirkt wird, so daß der Abwälzfräser 21 entsprechend der Phasenverschiebung in der richtigen Stellung neu positioniert wird.

Da die digitalisierten Signale X_ref und X_pos aus einzelnen diskreten Spannungsspitzen bzw. Spannungsspeaks 39 bestehen, kann zur Berechnung der Phasenverschiebung das mathematische Verfahren der Kreuzkovarianzreihenbildung herangezogen werden. Es werden vom digitalen Referenzsignal X_ref und von digitalisierten Meßsignal X_pos der Positionsmessung Kovarianzreihen berechnet, aus welchen eine Kreuzkovarianzreihe X_KV (Fig. 5) gebildet wird. Bei diesem mathematischen Verfahren werden die Abweichungen dX_refi vom Mittelwert der Kovarianzreihenwerte der Referenzmessung X_ref und die Abweichungen dX_{posi+ Φ} vom Mittelwert der Kovalenzreihenwerte aus der Positionsmessung X_pos entsprechend nachstehender Formel multipliziert, die einzelnen Ergebnisse addiert und durch die Anzahl N der einzelnen digitalen Meßwerte dividiert:

Hierbei bedeuten:
N: Anzahl der Abtastungen des Analog/Digital-Wandlers
dX_ref: Abweichungen vom Mittelwert der Reihe X_ref
dX_pos: Abweichungen vom Mittelwert der Reihe X_pos
Φ: Laufende Variable für Phasenverschiebung zwischen 0 und (N-1) Abtastintervallen α_S
i: Laufende Variable für Summenbildung

Das Ergebnis der Kreuzkovarianzreihenberechnung ist in Fig. 5 dargestellt. Nach der Berechnung der Kreuzkovarianzreihe wird rechnerintern das erste positive Maximum M₁ der Kreuzkovarianzreihe ermittelt. Der zugehörige Drehwinkel α_pv des ersten positiven Maximums M₁ ist dabei gleich der Phasenverschiebung des Meßsignals X_pos gegenüber dem Referenzsignal X_ref. Der Prozeßrechner 23 gibt diesen Wert an die Maschinensteuerung 34 der Wälzfräsmaschine 1 weiter, wodurch eine Phasenkorrektur durch Einstellung des Abwälzfräser 21 bewirkt wird. Diese Einstellung kann durch die Ansteuerung des Schrittschaltmotors 17 und die entsprechende Verschiebung des Abwälzfräser 21 in Richtung seiner Drehachse 15 erfolgen.

Des weiteren kann die Korrektur der Phasenverschiebung vorzugsweise auch durch Drehen des Abwälzfräser 21 um seine Drehachse 15 um einen entsprechenden Winkel erfolgen. Dies ist dadurch möglich, da die Werkstückspindel 3 und die Werkzeugspindel 14 jeweils mit einem Drehwinkelgeber 22, 24 ausgestattet sind, welche zum einen die aktuelle Winkellage der jeweiligen Spindel 3, 14 feststellen und zum anderen den Prozeßrechner mit den notwendigen Daten zur entsprechenden Ansteuerung der Spindelantriebe versorgen. Diese zweite Art der Phasenverschiebungskorrektur ist allgemein vorzuziehen, da der Schrittschaltmotor in diesem Falle nicht benötigt wird und somit die Wälzfräsmaschine 1 und deren Steuerung 34 kostengünstig herstellbar sind. Die Ausrichtung bzw. Positionierung des Abwälzfräsers 21 erfolgt in beiden Fällen der Phasenverschiebungskorrektur für jedes weitere, nachzubearbeitende Werkstück vollautomatisch.

Da es sich beim Referenzsignal X_ref und beim Signal X_pos aus der Positionsmessung um periodische Signale handelt, erhält man auch eine periodische Kreuzkovarianzreihe mit mehreren gleichwertigen Maxima M_i jeweils im Abstand der Periodendauer α_p des Referenzsignals X_ref bzw. des Signals X_pos aus der Positionsmessung. Die Anzahl der auftretenden Maxima M_i entspricht der Anzahl der abgetasteten Zahnköpfe 32 während der Abtastung der Verzahnung 12. In Fig. 5 sind drei dieser Maxima M₁, M₂, M₃ dargestellt. Durch arithmetische Mittelwertbildung und Gewichtung der einzelnen Maxima M₁, M₂, M₃ bis M_i können Fehler durch Rundlauf, Taumel, Verschmutzung oder auch durch Teilungsfehler in die Berechnung der Phasenverschiebung mit einbezogen werden, wodurch bei der Nachbearbeitung des Werkstückes diese Fehler ausgeglichen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wälzfräsmaschine 1 mit einem zweiten Analogsensor 35 versehen, welcher in Umfangsnähe des Abwälzfräsers 21 angeordnet ist. Die prinzipielle Anordnung des Analogsensors 35 gegenüber dem Abwälzfräser 21 ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Der zweite Analogsensor 35 tastet die Außenkontur des Abwälzfräsers 21 ab, während sich dieser in Richtung des Pfeiles 36 dreht und erzeugt ein Analogsignal. Dieses Analogsignal wird ebenfalls wie das Signal des Analogsensors 28 über einen Meßwertumformer 37 in eine periodische Ausgangsspannung U_F umgewandelt. Da der Abwälzfräser 21 mit Spannuten 26 versehen ist, ergibt sich ein Meßsignal, welches beim Durchgang einer Spannute 26 am Analogsensor 35 jeweils ein Spannungsminimum U_min aufweist, da der Abstand S_F jeweils maximal wird. Durch die Drehung des Abwälzfräsers 21 in Richtung des Pfeiles 36 wandern die schneckenförmig am Umfang des Abwälzfräsers angeordneten Schneidzähne 27 in Richtung des Pfeiles 40 am Analogsensor 35 vorbei. Das Abwälzfräsersignal U_F weist, bezogen auf den Drehwinkel α der Werkstückspindel 3, zwei Periodenabstände α_n und α_sz auf, wobei der kleinere Periodenabstand α_n dem Winkelabstand der Spannuten 26 des Abwälzfräser 21 entspricht und der größere Periodenabstand α_sz dem Abstand der jeweils benachbarten Zahnköpfe 32 der Schneidzähne 26 des Abwälzfräsers 21. Der größere Periodenabstand α_sz dieses Analogsignales entspricht genau dem Periodenabstand α_p, welcher bei der Abtastung des Werkstückes 10 vorliegt, da bei solchen Wälzfräsmaschinen 1 die Drehzahl der Werkstückspindel 3 zur Drehzahl der Werkzeugspindel 14 in einem festen Verhältnis steht und das Abwälzfräsersignal U_F in einfacher Weise in Bezug zum Drehwinkel α der Werkzeugspindel zu bringen ist. Dieser Signalverlauf in Abhängigkeit vom Drehwinkel α der Werkstückspindel 3 ist in Fig. 8 dargestellt. Das Drehzahlverhältnis zwischen Werkstückspindel 3 und Werkzeugspindel 14 wird dabei durch die Zähnezahl Z bzw. die Zahnteilung des Werkstückes 10 und der Gangzahl g des Abwälzfräsers 21 bestimmt. Für den Zusammenhang zwischen der Werkzeugspindeldrehzahl n_z und der Werkzeugspindeldrehzahl n_s gilt:

woraus sich für die Drehwinkel α_z der Werkzeugspindel und α der Werkstückspindel folgender Zusammenhang ergibt:

Durch diese Umrechnung erhält man in Abhängigkeit vom Drehwinkel α der Werkstückspindel 3 zwei analoge Signale U_F und U_A, eines U_A aus der Abtastung der Verzahnung 12 des Werkstückes 10 und ein zweites U_F aus der Abtastung des Abwälzfräsers 21, welche bzgl. des Drehwinkels α den gleichen Periodenabstand α_p aufweisen. Durch die Digitalisierung des Abwälzfräsersignals U_F mittels eines zweiten Analog/Digital-Wandler 38 erhält man ein digitales, periodisches Signal X_F. Das digitale Signal X_pos aus der Abtastung der Verzahnung 12 des Werkstückes 10 entspricht dem in Fig. 3 dargestellten Signal X_pos. Die beiden digitalen Signale X_F und X_pos werden nun dem Prozeßrechner 23 übergeben, welcher eine Kreuzkovarianzreihenrechnung dieser beiden Signale X_F und X_pos durchführt und damit die Phasenverschiebung der beiden Signale X_F und X_pos zueinander ermittelt. Die Kreuzkovarianzreihe zeigt dabei einen ähnlichen Verlauf wie in Fig. 5 dargestellt. Die Phasenverschiebung beider Signale ist ebenfalls durch das erste positive Maxima M₁ definiert, welches vom Prozeßrechner 23 ermittelt wird. Diese Phasenverschiebung wird von Prozeßrechner 23 an die Maschinensteuerung 34 gegeben, welche durch entsprechende Positionierung des Abwälzfräsers 21 bzw. dessen Drehung um seine Drehachse 15 den Ausgleich dieser Phasenverschiebung bewirkt. Sind die beiden Analogsensoren 28, 35 phasengleich am Umfang der Verzahnung 12 bzw. am Umfang des Abwälzfräsers 21 positioniert, muß der Abwälzfräser 21 zusätzlich zur berechneten Phasenverschiebung noch um eine halbe Periodendauer ½α_p verschoben bzw. gedreht werden, damit die Schneidzähne 27 des Abwälzfräsers 21 tatsächlich genau auf eine Zahnlücke 29 der Verzahnung 12 des Werkstückes 10 ausgerichtet sind. Auf diese zusätzliche Verschiebung bzw. Drehung des Abwälzfräsers 21 kann verzichtet werden, wenn einer der beiden Analogsensoren 28, 35 am Umfang des Werkstückes 10 bzw. am Umfang des Abwälzfräsers 21 um eine halbe Periodendauer ½α_p verschoben positioniert wird. Damit wird erreicht, daß beim Erreichen des Maximums beider Signale X_F und X_pos, also wenn dem Analogsensoren 28 ein Zahnkopf 32 der Verzahnung 12 und dem Analogsensor 35 ein Schneidzahn 27 des Abwälzfräsers 27 gegenüberliegt, die Schneidzähne 27 in eine Zahnlücke 29 der Verzahnung 12 eingreifen.

Durch die Verwendung zweier Analogsensoren 28 und 35 wird eine vollautomatische Ausrichtung der Schneidzähne 27 des Abwälzfräsers 21 bezüglich der Zahnlücken 29 der Verzahnung 12 eines Werkstückes 10 erreicht. Da bei der Bildung der Kreuzkovarianzreihe diese, wie oben beschrieben, ebenfalls mehrere gleichwertige Maxima M_i aufweist, können ebenfalls durch arithmetische Mittelwertbildung und Gewichtung der einzelnen Maxima M_i Fehler durch Rundlauf, Taumel, Verschmutzung oder durch Teilungsfehler der vorgefertigten Verzahnung beim Nachbearbeitungsvorgang ausgeglichen werden. Des weiteren ist auch bei einem Werkzeugwechsel oder bei der Nachbearbeitung unterschiedlicher Werkstücke keine Referenzmessung mehr notwendig, da das Referenzsignal durch die Werkzeugabtastung direkt erzeugt wird.

Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung besteht darin, daß die Genauigkeit der Positioniervorrichtung im wesentlichen nur von der Größe des Abtastintervalles α_s abhängig ist. Toleranzen der Analogsensoren oder der Meßwertumformer gehen in die Berechnung der Phasenverschiebung nicht mit ein. Des weiteren läßt sich das Anwendungsgebiet dieser Positioniervorrichtung auf die Nachbearbeitung von Schnecken, Gewinden und Bohrungen ausdehen und ist damit universell einsetzbar.

Außerdem ist diese Vorrichtung nicht nur für die Nachbearbeitung von Schnecken, Gewinden und dergl. zu verwenden, sondern erlaubt es auch eine Verzahnung zu einer beliebigen Form, z. B. zu einer Bohrung, einer Nut oder einem Sechskant zu orientieren. Damit ist die Vorrichtung beispielsweise auch für die automatische Positionierung von Bauteilen bei automatisierten Montagevorgängen geeignet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum selbsttätigen, reproduzierbaren Positionieren eines Verzahnungs- oder Nutenbearbeitungswerkzeuges (21) bezüglich eines Werkstückes (10) mit einer vorgefertigten Zahnung (12) oder Nutung, wobei das Werkzeug (10) auf einer quer oder schräg zu einer Werkstückspindel (3) verlaufenden Werkzeugspindel (14) angeordnet ist, die mittels Stellmotoren in Richtung ihrer Achse (15) und quer dazu verstellbar ist, wobei zur Ermittlung der Winkellage der Zahnung (12) bzw. Nutung des Werkstückes (10) in Umfangsnähe des Werkstückes (10) ein ortsfester elektronischer Analogsensor (28) vorgesehen ist, welcher ein dem abgetasteten Verlauf der Außenkontur des Werkstückes (10) entsprechendes analoges Spannungssignal (U_A) erzeugt, dessen Amplitudenverlauf von einem Analog/Digitalwandler (33) in regelmäßigen Abtastintervallen (α_s) abgetastet wird und digitalisierte, diskrete Spannungswerte (39) als Meßsignal (X_pos) ermittelt, und zur Ermittlung der Winkellage der Werkzeugspindel in Umfangsnähe des Werkzeuges (21) ein zweiter ortsfester elektronischer Analogsensor (35) angeordnet ist, welcher ein der Außenkontur des Werkzeuges (21) entsprechendes analoges Spannungssignal (U_F) erzeugt, welches von einem zweiten Analog/Digitalwandler (38) in den gleichen vorbestimmten Abtastintervallen (α_s) abgetastet wird und digitale Ausgangssignale als Referenzsignal (X_F) ermittelt, wobei ferner beide digitalen Signale (X_pos, X_F) einem Prozeßrechner (23) zugeführt werden, welcher die Phasendifferenz zwischen den Referenzsignalen (X_F) und Meßsignalen (X_pos) ermittelt und durch Vergleich ein Steuersignal als Stellgröße zur Steuerung der Stellmotoren erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal (X_F) des zweiten Analogsensors (35) dem Prozeßrechner (23) gleichzeitig mit dem Meßsignal (X_pos) des ersten Analogsensors (28) zugeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeßrechner (23) aus dem digitalisierten Referenzsignal (X_F) und dem digitalisierten Meßsignal (X_pos) jeweils eine Kovarianzreihe bildet und die Ermittlung der Phasenverschiebung () des Referenzsignals (X_F) und des Meßsignals (X_pos) durch Kreuzkovarianzanalyse beider Kovarianzreihen erfogt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkzeugachse (15) und die Werkzeugstückachse (7) jeweils mit einem Drehwinkelgeber (22, 24) versehen sind, welche dem Prozeßrechner (23) die aktuelle Winkellage der jeweiligen Achse (7, 15) übermitteln.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkelgeber (24) der Werkstückachse (7) einen Startimpuls (I) für die Meßvorgänge erzeugt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Drehwinkelgeber (22, 24) ein drehwinkelabhängiges Abtastintervall (α_s) für den Analog/Digitalwandler (33) bestimmt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Drehwinkelgeber (22, 24) ein drehwinkelabhängiges Abtastintervall (α_s) für beide Analog/Digitalwandler (33, 38) bestimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal (X_F) einer ersten Messung im Prozeßrechner (23) als Vergleichsgröße für die weiteren Meßsignale gespeichert wird.