DE4316313C1

DE4316313C1 - Verfahren und Anordnung zur Qualitätsüberwachung des Schleifprozesses

Info

Publication number: DE4316313C1
Application number: DE19934316313
Authority: DE
Inventors: Alexander Bromme; Siegbert Kuenzel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-05-15
Filing date: 1993-05-15
Publication date: 1994-12-08
Anticipated expiration: 2013-05-16

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur automatischen Qualitätsüberwachung während der Bearbeitung von Werkstücken mit einer Werkzeugmaschine mit Meßsteuerung, z. B. beim Innen- und Außenrundschleifen bei der die Werkstücke mit einer Spannvorrichtung, z. B. Magnetspanner, fixiert werden, die eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Spanneinrichtung während der Bearbeitung ermöglichen, wobei ein Stillstand des Werkstückes nicht auftreten darf.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind eine ganze Reihe von Verfahren und Anordnungen zur Überwachung von Werkzeugmaschinen, insbesondere von Innen- und Außenrundschleifmaschine bekannt, die dazu dienen, die Maschine vor Beschädigungen zu schützen, das Werkstück auf die vorgegebenen Maßen zu bearbeiten und/oder die Bearbeitungszeit zu verkürzen.

In der DE 31 18 065 A1 wird eine Verfahren beschrieben, das mittels Lasersensor das Aufmaß des Werkstückes überwacht und danach den Vorschub so einstellt, daß nicht mit zu hohen Geschwindigkeiten der Werkzeugeingriff erfolgt, um ein Bersten der Schleifscheibe zu vermeiden. Eine Zustellsteuereinrichtung zur Optimierung des Luftschnitt- und des Schleifzustellbetriebes mit Hilfe eines Werkstück-Werkzeug-Kontaktdetektors wird in den Schriften DE 36 07 236 A1 und DE 28 29 737 A1 dargestellt.

Ein Verfahren zum meßgesteuerten Schleifen wird in DE 29 37 313 A1 und DE 37 03 429 A1 beschrieben. Mit Hilfe eines Meßkopfes wird das Maß des Werkstückes erfaßt, und bei Erreichung des Sollmaßes wird der Vorschub des Werkstückes oder der Werkzeuges abgebrochen. Die Werkstückgröße kann dabei auch intermittierend gemessen werden (DE 32 18 782 A1).

Weiter gibt es automatische Einstellvorrichtungen für die Werkzeugschneide (DE 34 08 348 A1).

Es sind auch adaptive Regelungen von Schleifmaschinen bekannt, die eine Berücksichtigung der sich ändernden Prozeßbedingungen, z. B. die Temperatur der Umgebung, der Maschine, des Kühlmittels und des Werkstückes zum Ziel haben (DE 30 13 378 A1, JP 3951/1985 (60-3 951)).

Nachteilig dabei ist jedoch, daß bei den bekannten Lösungen zur Überwachung des Schleifprozesses, insbesondere beim Innen- und Außenrundschleifen, solche Prozeßsituationen nicht erkannt werden, die auf den Stillstand des Werkstückes während der Bearbeitung oder auf die nicht ordnungsgemäße Abrichtung des Werkstückes schließen lassen. Gerade diese Störungen des Prozeßverhaltens führen zur Qualitätsminderung des Werkstückes durch Aushärtungszonen am Werkstück und zur übermäßigen Beanspruchung der Maschine (Werkzeug, Werkstückspanneinrichtung) beim Wiederanlauf des Werkstücks durch die eingeschliffene Abplattung am Werkstück.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, die bei der Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere beim Innen- und Außenrundschleifen, auftretenden Prozeßsituationen zu erkennen, die auf das Stehenbleiben des Werkstückes während der Bearbeitung und auf die nicht ordnungsgemäße Durchführung des Abrichtvorganges schließen lassen.

Beim Stillstand des Werkstückes entsteht durch das Einschleifen eine Rille oder Abplattung und damit eine lokale Aushärtung der Schliffzone, oder beim nicht zyklusgerechten Abrichten des Werkzeuges entsteht ein zu großer Verschleiß des Werkzeuges, und damit verbunden sind Beeinträchtigungen der Werkstückform und -oberfläche.

Es besteht das Ziel, ein universelles Verfahren, unabhängig vom Maschinentyp und der Art des Werkstückes, zu schaffen, das die genannten Prozeßsituationen erkennt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das in der Lage ist, während der Bearbeitung von Werkstücken durch Werkzeugmaschinen mit Meßsteuerungen, insbesondere für Innen- und Außenrundschleifmaschinen mit magnetisch gespannten Werkstücken, Prozeßsituationen zu erkennen, die auf das Stehenbleiben des Werkstückes während der Bearbeitung und auf die nicht ordnungsgemäße Durchführung des Abrichtvorganges des Werkzeuges schließen lassen.

Damit ist es möglich, die Werkstücke auszusondern, die mit gestörten Prozeßverläufen gefertigt wurden, und die Werkstückspanneinrichtung sowie das Werkzeug vor Schäden zu bewahren, die durch extreme Belastungen beim Wiederanlauf des stehengebliebenen Werkstückes entstehen können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den Vergleich des Werkstückmaßes oder dessen Änderung mit der Position der Bearbeitungsstelle des Werkzeuges über dem Sollmaß oder Positionsänderung (Vorschub) des Werkzeuges (Werkzeugkante) oder Werkstückes gelöst. Ist das Aufmaß des Werkstückes signifikant größer, als es die Position der Bearbeitungsstelle plus Differenzbetrag theoretisch zuließe, so liegt eine Störung des Prozesses vor, die auf ein Stehenbleiben des Werkstückes schließen läßt. Die Störung des Prozesses wird auch dann erkannt, wenn ab dem Werkzeugeingriff die Maßänderung gleich Null ist, aber die Vorschubänderung ungleich Null ist. Diese Informationen werden zur Stillsetzung der Maschine genutzt.

Ist bei dem ersten Werkstück nach dem Abrichten der Abstand zwischen Position der Bearbeitungsstelle plus Abrichtkompensation und Aufmaß des Werkstückes größer als der gewählte Differenzbetrag, so ist auf ein fehlerhaftes bzw. fehlendes Abrichten zu schließen. Die Anordnung zur Ausführung des Verfahrens besteht im wesentlichen aus einer Meßsteuerung, vorzugsweise mit Zweipunktabtastung und Analogausgang des Maßsignals (Durchmesser). Ein Tiefpaßfilter TP mit einer Grenzfrequenz f_g, die gleich wie oder kleiner als die halbe Abtastfrequenz f_a ist, filtert das Maßsignal, welches über einen A/D-Wandler einer Rechnereinheit zum Vergleich mit der Bearbeitungsposition oder deren Änderung zugeführt wird. Als Meßeinrichtung für die Bearbeitungsposition oder deren Änderung, d. h. für den Vorschub des Werkzeug- oder Werkstückschlittens, wird ein Längenmeßsystem angebaut oder vorzugsweise die maschineninterne Meßeinrichtung in Form eines inkrementalen Gebers verwendet. Dieses so gewonnene Signal wird über einen A/D-Wandler mit elektronischer oder mechanischer Kompensation der Nullpunktverschiebung, die durch das Abrichten des Werkzeuges notwendig ist, oder über einen Digitalzähler zur Verarbeitung der Impulse des Gebers einer Rechnereinheit zugeführt. Die Rechnereinheit besitzt auch eine digitale Ein- /Ausgabeschnittstelle für die Signalausgabe zur Prozeßbeeinflussung.

Das jeweils erste Werkstück nach Einschalten der Maschine oder vorgenommenen Verstellungen am System muß als Referenzwerkstück geschliffen werden. Durch dieses "Anlernen" erhält die Überwachungseinrichtung den ersten Nullpunkt für das Sollmaß und die absolute Schlittenposition zum Erreichen des Sollmaßes. Eine Prozeßunregelmäßigkeit hat dabei keinen Einfluß, solange tatsächlich das Sollmaß erreicht wird. Das Minimum beider Signale der Anlernfunktion entspricht der Nullpunktverschiebung im aktuellen Prozeß.

Die folgenden Werkstücke werden geschliffen. Bei dem Aufsetzen des Tasters (Tastersignal verändert sich aus einem stationärem Zustand mit hoher Dynamik) wird der Überwachungsvorgang ausgelöst. Mit einer konstanten Frequenz tastet der Rechner das antialiasing gefilterte Maßänderungssignal ab. In äquidistanten Abschnitten (ca. eine Werkstückumdrehung) wird der Mittelwert aus den gewandelten Zahlen ermittelt, der Mittelwert skaliert (Empfindlichkeit) und rechnerisch mit dem digital eingelesenen Zählerstand plus Differenzbetrag verglichen.

Der Differenzbetrag ist experimentell zu ermitteln. Durch Variation dieses Betrages läßt sich das Ansprechverhalten des Systems einstellen.

Je größer der Differenzbetrag, desto größer ist die Ansprechverzögerung; desto geringer ist jedoch auch die Irrtumswahrscheinlichkeit.

Während jedes Schleifprozesses werden die Minima beider Signalverläufe zusätzlich ermittelt und als Nullpunkt für das folgende Werkstück angenommen (Vorgang wie beim Anlernen). Das Signal zum Abrichten, welches aus der Maschinensteuerung zu entnehmen ist, vermindert den Vorschubnullpunkt um den realisierten Abrichtbetrag. Werden z. B. am Schleifscheibenradius 20 µm abgerichtet, so muß der angenommene Nullpunkt ebenfalls um 20 µm vermindert werden. Der Abrichtbetrag ist in den allermeisten Fällen konstant, so daß der Betrag selbst nicht übermittelt werden muß.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an den in den Zeichnungen dargestellten Beispielen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen die Fig. 1-4:

Fig. 1 die elektronische Überwachungseinrichtung mit analoger Signalverarbeitung (in schematischer Darstellung) und mit elektronischer Kompensation der durch das Abrichten hervorgerufenen Verschiebung,

Fig. 2 die elektronische Überwachungseinrichtung mit analoger Signalverarbeitung und mit mechanischer Kompensation der durch das Abrichten hervorgerufenen Verschiebung,

Fig. 3 die elektronische Überwachungseinrichtung mit analoger Signalverarbeitung unter Verwendung des maschineninternen Wegmeßsystems und mit mechanischer Kompensation der durch das Abrichten hervorgerufenen Verschiebung,

Fig. 4 die elektronische Überwachungseinrichtung mit digitaler Signalverarbeitung und mit den als Blockschaltbild dargestellten elektronischen Baueinheiten.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer ersten Variante der elektronischen Überwachungseinrichtung und das Zusammenwirken der Funktionseinheiten dargestellt.

Vom Werkstück 1 wird mit Hilfe des Meßgrößenaufnehmers 2, vorzugsweise mit Zweipunktabtastung, in der Meßsteuerung 3 ein dem Aufmaß des Werkstückes proportionales analoges Signal (Analogspannung) gebildet. Die Übertragungsfunktion ist bekannt oder ist durch Einmessen zu ermitteln. Die sich ergebende Zeitkonstante durch die Signalaufbereitung sollte die sich aus der Drehfrequenz des Werkstückes ergebende Zeit für eine Umdrehung nicht überschreiten. Ist die Meßsteuerung 3 nicht in der Lage, das Signal in der geforderten Dynamik zu demodulieren, so muß eine externe Signalaufbereitung vorgenommen werden. Die Meßsteuerung 3 liefert eine Trägerfrequenz (TF) an den Meßgrößenaufnehmer 2. Dieser Trägerfrequenz wird entsprechend der Maßänderungen am Werkstück 1 über den Meßgrößenaufnehmer 2 durch phasengleiche Amplitudenmodulation das Maßsignal übertragen, und es ergibt sich daraus die modulierte Trägerfrequenz (TFM). Die beiden Signale (TF und TFM) werden einer Schaltungsanordnung zugeführt und dadurch zu einer dem Aufmaß des Werkstückes proportionalen Analogspannung umgeformt.

Die Schaltungsanordnung bildet aus der Trägerfrequenz (TF) einen periodischen Triggerimpuls. Dieser Triggerimpuls steuert einen SAMPLE & HOLD (S)-Schaltkreis, der den Momentanwert der modellierten Trägerfrequenz (TFM) abtastet und bis zum nächsten Triggerimpuls analog speichert.

Dieses Analogsignal wird für den Vergleich dem Analogkomparator 6 zugeführt. Mit dem Längenmeßsystem 4 wird die Verschiebung des Vorschubschlittens zum Maschinenbett gemessen. In der elektronischen Schaltung 5 wird die Verschiebung des Nullpunktes kompensiert, die durch das Abrichten der Schleifscheibe entsteht.

Dieses aufbereitete analoge Signal wird ebenfalls dem Analogkomparator 6 zugeführt und mit dem Maßänderungssignal verglichen.

Überschreitet die Amplitude des Maßänderungssignals die Amplitude des Vorschubänderungssignals plus einen Differenzbetrag, dann wird ein Signal, z. B. zur Unterbrechung der Fertigung, an die Maschinensteuerung 7 gegeben.

In Fig. 2 wird eine zweite Variante für die Ausführung der Überwachungseinrichtung dargestellt. Der Unterschied zur ersten Variante besteht darin, daß ein Längenmeßsystem 8 eingesetzt wird, das die Verschiebung des Vorschubschlittens nicht zum Maschinenbett, sondern zu einer mechanischen Basis mißt, die die Verschiebung des Nullpunktes kompensiert, die durch das Abrichten der Schleifscheibe entsteht; und es wird das analoge Vorschubänderungssignal direkt dem Analogkomparator 6 zugeführt und entsprechend der ersten Variante verarbeitet.

In Fig. 3 wird eine dritte Variante für die Ausführung der Überwachungseinrichtung dargestellt. Der Unterschied zur ersten und zweiten Variante besteht darin, daß das maschineninterne Wegmeßsystem zur Messung der Vorschubänderung verwendet wird.

Die im Digitalzähler 10 erfaßten Impulse vom maschineninternen inkrementalen Meßsystem 9 geben die Absolutposition des Vorschubschlittens im Maschinenkoordinatensystem wieder. In der elektronischen Schaltung 11 wird die Relativzählung zur Kompensation der Nullpunktverschiebung, die durch das Abrichten der Schleifscheibe entsteht, realisiert. Der kompensierte Zählerstand wird dynamisch im Digital-/Analogwandler 12 in eine analoge Spannung gewandelt, durch den Tiefpaß 13 gefiltert und schließlich dem Analogkomparator 6 zugeführt und wie in den vorangegangenen Varianten weiterverarbeitet.

In Fig. 4 wird eine vierte Variante für die Ausführung der Überwachungseinrichtung dargestellt. Der wesentliche Unterschied zu den ersten drei Varianten besteht darin, daß eine digitale Verarbeitung des Maß- und Vorschubänderungssignals vorgenommen wird. Das antialiasing gefilterte Analogsignal wird durch den Analog-/Digitalwandler 14 digitalisiert und einer Rechnereinheit 16 zugeführt.

Das Vorschubänderungssignal wird vom maschineninternen Meßsystem 9, meist ein inkrementaler Geber, und dem digitalen Zähler 10 in die Rechnereinheit 16 gegeben. In der Rechnereinheit 16 wird eine Mittelwertbildung des Maßänderungssignals über eine Werkstückumdrehung vorgenommen und in eine Bezugseinheit umgewandelt. Der Zähler 10 wird nach jeder Werkstückumdrehung ausgelesen, sodann wird die Nullpunktkompensation durchgeführt und in dieselbe Bezugseinheit umgerechnet. Ist das Maß größer als die Vorschubposition plus Differenzbetrag, dann wird durch die Rechnereinheit 16 an die Maschinensteuerung 7 ein Signal zur Fehlerreaktion gegeben. Ebenfalls zu einer Fehlerauslösung kommt es, wenn nach dem Eingriff des Werkzeuges die Maßänderung gleich Null und die Vorschubänderung ungleich Null ist.

Der Zeitpunkt für den Werkzeugeingriff wird aus dem Signalverlauf oder durch einen Sensor 15, der mit der Rechnereinheit 16 verbunden ist, gewonnen.

Claims

1. Verfahren zum Erkennen von Prozeßsituationen während der Bearbeitung von Werkstücken beim Innen- und Außenrundschleifen, bei der die Werkstücke mit einer Spannvorrichtung, z. B. Magnetspanner, fixiert werden, die eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Spanneinrichtung während der Bearbeitung zuläßt, mit folgenden Verfahrensschritten:

- das aktuelle Werkstückaufmaß wird während des Bearbeitens ständig ermittelt
- die aktuelle Position der Bearbeitungsstelle des Werkzeuges über dem Sollmaß (Werkzeugkante) wird ermittelt
- das aktuelle Werkstückaufmaß wird mit der Position der Bearbeitungsstelle verglichen
- wobei der Bearbeitungsvorgang dann abgebrochen wird, wenn das Werkstückaufmaß größer ist als das Maß, das sich aus der entsprechenden aktuellen Bearbeitungsposition plus einem gewählten Differenzbetrag ergeben müßte.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Bearbeitungsvorgang dann abgebrochen wird, wenn bei dem ersten Werkstück nach dem Abrichten der Abstand zwischen der Position der Bearbeitungsstelle plus Abrichtkompensation und Aufmaß des Werkstückes größer als der gewählte Differenzbetrag ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man

- die Änderung des Werkstückaufmaßes erfaßt
- die Änderung des Vorschubes erfaßt
- die Änderung des Werkstückaufmaßes mit der Änderung des Vorschubes vergleicht
- den Bearbeitungsvorgang dann abbricht, wenn die Werkstückaufmaßänderung gleich Null ist und die Vorschubänderung ungleich Null ist.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-3, wobei

- das Werkstückaufmaß und dessen Änderung durch eine Meßsteuerung (3) mit einem Meßgrößenaufnehmer (2) gewonnen wird
- die Vorschubänderung durch ein Längenmeßsystem (4) und eine Schaltung (5) zur elektronischen Nullpunktkompensation, ein Längenmeßsystem (8) mit mechanischer Nullpunktkompensation oder über das zugehörige inkrementale maschineninterne Meßsystem (9) und einen Digitalzähler (10) gewonnen wird
- die Wandlung des Vorschubsignals vom inkrementalen maschineninternen Meßsystem (9) und Digitalzähler (10) in eine dem Maß proportionale Analogspannung über die Schaltung (11), den Digital-/Analogwandler (12) und den Tiefpaß (13) erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 4, wobei

- das Werkstückaufmaß und dessen Änderung als proportionale Analogspannung aus der Meßsteuerung (3) entnommen und einem Analogkomparator (6) zugeführt wird
- die Vorschubänderung als analoges und nullpunktkompensiertes Signal ebenfalls dem Analogkomparator (6) zugeführt wird
- im Analogkomparator (6) der Vergleich der Amplitude des Maßsignals mit der Amplitude des Vorschubsignals plus eines Differenzbetrages durchgeführt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß

- das analoge Maßsignal durch einen Analog-/Digitalwandler (14) digitalisiert und einer Rechnereinheit (16) zugeführt wird
- die Vorschubänderung nach dem Digitalzähler (10) direkt der Rechnereinheit (16) zugeführt wird
- in der Rechnereinheit (16) die Nullpunktkompensation und der Vergleich zwischen Maß- und Vorschubsignal vorgenommen wird.