EP2961568A1 - Verfahren und vorrichtung zur fluidischen geometriemessung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur fluidischen geometriemessung

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Publication number
EP2961568A1
EP2961568A1 EP14703889.7A EP14703889A EP2961568A1 EP 2961568 A1 EP2961568 A1 EP 2961568A1 EP 14703889 A EP14703889 A EP 14703889A EP 2961568 A1 EP2961568 A1 EP 2961568A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
measuring system
distance
nozzle
workpiece
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14703889.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ronald Angerbauer
Joachim Klima
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Original Assignee
Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH filed Critical Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Publication of EP2961568A1 publication Critical patent/EP2961568A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B33/00—Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/04—Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working external surfaces of revolution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B33/00—Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/06—Honing machines or devices; Accessories therefor with controlling or gauging equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B33/00—Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/08—Honing tools
    • B24B33/087—Honing tools provided with measuring equipment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/08—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation involving liquid or pneumatic means

Definitions

  • the invention relates to methods for non-contact measurement of the geometry of a workpiece surface with the aid of a fluidic measuring system according to the preamble of claim 1, a device for material-removing fine machining a workpiece surface of a workpiece according to the preamble of claim 10, and a measuring system, which in the context of the method and the Device is used.
  • Preferred applications include measurement assisted finishing of internal bore inner surfaces and measurement assisted finishing of largely rotationally symmetric curved outer surfaces of workpieces by belt finishing, superfinishing or external honing, in the context of fine machining, i. before, during and / or after the fine machining, a measurement is carried out to determine the geometry of the workpiece surface.
  • Honing is a machining process with geometrically indeterminate cutting, in which multi-bladed honing tools carry out a two-component cutting movement, which leads to a characteristic surface structure of the machined inner surface with crossed machining marks.
  • By honing finely machined surfaces can be produced, which meet extremely high requirements in terms of dimensional and shape tolerances and in terms of the surface structure. Accordingly, for example, in engine construction - -
  • Cylinder running surfaces i. Inner surfaces of cylinder bores in an engine block or in a cylinder sleeve to be installed in an engine block, and bearing surfaces for waves honing processed.
  • cylinder surfaces typically several different, consecutive honing operations are performed, for example, a pre-honing to produce the desired macro-shape of the bore and a finish honing, with which the surface structure required on the finished workpiece is generated. Measuring steps can be used to check the processing success.
  • DE 38 27 892 C2 shows a honing device with Nachmessstation, in which the measurement results are used to control the radial delivery of the honing stones in a honing tool with a large radial displacement.
  • a pneumatic measuring system has at least one measuring nozzle, which is attached to a tool and connected via a compressed gas line with a remote from the measuring nozzle compressed gas source.
  • Such pneumatic measuring systems work according to the nozzle-flapper principle.
  • compressed air flows out of the measuring nozzle in the direction of the bore wall.
  • the resulting back pressure in the area of the measuring nozzle serves as a measure of the distance of the measuring nozzle to the bore wall.
  • a connected to the measuring nozzle via the compressed gas line transducer measures the pressure in the compressed gas line and provides for a conversion of the (pneumatic) pressure signal in an electrically quizverarbeitbares voltage signal which is fed to an evaluation and evaluated there.
  • the measuring nozzle is thus brought to perform a measurement in the vicinity of the workpiece surface and a dependent of the distance between the measuring nozzle and the workpiece surface property of the compressed gas, namely the pressure at the location of measurement is measured and evaluated to determine the distance.
  • the bore diameter can be determined. Measurements at different axial positions and / or in different rotational positions of the tool can be used for a shape measurement, ie a measurement of the macro-shape of the bore.
  • the measuring nozzles are integrated in the honing tool in the case of in-process measurements. In the case of post-process measurements, they can be attached to a special measuring tool (measuring mandrel).
  • Pneumatic measuring devices are robust and enable a non-contact, independent of the material of the test object measuring and within its measuring range high measuring accuracies in the order of a few micrometers.
  • the repeat accuracy of the recorded measured values can be less than 0.5 ⁇ m (depending on the surface roughness and on static measurement).
  • the recorded reading is an average of the distance of the measuring nozzle from the swept points of the workpiece surface.
  • the measuring range is relatively limited.
  • the measuring nozzles In order to be able to record meaningful measured values, the measuring nozzles must be arranged in a certain, relatively narrow range of distances (typically a few 100 ⁇ m, for example approximately 200 ⁇ m) from the workpiece surface, for example a bore wall.
  • the width - - The then usable, linear measuring range is typically between 100 ⁇ and 200 ⁇ .
  • the patent application DE 10 2012 01 1 470 A1 describes the use of radar sensors in the measurement of finely machined workpiece surfaces. Measuring systems with radar sensors are highly dynamic and can be used, for example, for measuring diameters, measuring macro-form and measuring roughness. The usage of - -
  • Radar sensors for measuring workpiece outer surfaces during fi nishing are also described.
  • the invention provides a method having the features of claim 1, a measuring system having the features of claim 5, and an apparatus having the features of claim 10.
  • Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.
  • a generic method for non-contact measurement of the geometry of a workpiece surface using a fluidic measuring system is characterized in that by means of a flow sensor, a fluid flow (volume flow and / or mass flow) of the pressure fluid flowing through the pressure fluid line to the measuring nozzle measured and a sensor signal the flow sensor is evaluated to determine the distance.
  • the invention is based on the recognition that the quantity of pressurized fluid which flows out through a defined measuring nozzle per unit of time has a clear relationship to the distance of the measuring nozzle from the workpiece. - -
  • Piece surface stands. This relationship does not necessarily have to be linear. However, since there is a clear relationship between this distance and the fluid flow (volume flow and / or mass flow) of the pressure fluid flowing through the pressure fluid line, which can be determined quantitatively, if necessary, by flow calibration, flow sensors can be used for distance measurement.
  • the sensor signal supplied by the flow sensor for example an electrical signal in the form of a measuring voltage or an electrical current, can be transmitted to an evaluation device and evaluated to determine the distance.
  • Flow sensors have heretofore typically been used for leak detection or leak testing or flow control in fluidic systems (i.e., pneumatic or hydraulic systems).
  • the invention now proposes u.a. the use of a flow sensor in a fluidic measuring system for non-contact measurement of the shape of a workpiece surface, for measuring the fluid flow of a pressurized fluid flowing in a pressurized fluid line, which is a pressurized fluid source of the measuring system with a remote from the pressurized fluid source on a tool attached measuring nozzle of the measuring system connects.
  • Diameter difference of up to about 800 ⁇ or even more is a significant expansion of the usable measuring range compared to conventional pneumatic measuring systems.
  • the enlarged measuring range allows standardization in the tool design, because tools with the same tool body can be used for a larger diameter range. This helps to save costs.
  • a measuring system with a large measuring range can be used in the context of Honstin or other finishing stages, which remove a lot of material, both at the beginning of the processing (relative small distance of the workpiece surface to the measuring nozzle) and in the final phase of processing (relatively large distance the workpiece surface to the measuring nozzle) is still given a sufficient measurement accuracy.
  • the measurement accuracy at large distances makes it possible to exactly reach the final dimension desired at the end of each processing stage. Investigations have shown that fluid flow measurements, especially in the range of larger distances, can have a significantly better signal-to-noise ratio than pressure measurements, so that the measurement accuracy remains adequate even at relatively large distances.
  • the fluidic measuring system is designed as a pneumatic measuring system, which works with a pressurized gas, in particular compressed air, as pressurized fluid.
  • the components of such a measurement system may be substantially identical or functionally similar to those of conventional air measurement systems, in contrast to these instead of a converter which converts the pressure of the pressure fluid in the pressure fluid line into a further processable electrical signal, now a flow sensor is used, with which the volume flow and / or mass flow of the at - -
  • Measuring point flowing through pressure fluid can be detected quantitatively.
  • the measuring method according to the invention can be provided to set the provided by the pressure fluid source operating pressure of the pressurized fluid depending on the distance to be measured according to a predetermined distance function in advance (before the measurement) to a suitable value.
  • a corresponding adjusting device for changing the operating pressure can be provided.
  • the adjustment is made so that the operating pressure is reduced with increasing distance. This measure takes into account that with increasing distance between measuring nozzle and workpiece surface of the pressure fluid after exiting the measuring nozzle available flow cross-section (area between measuring nozzle and workpiece wall) is greater, so that the flow resistance decreases and at the same operating pressure a larger amount of pressurized fluid per Time unit can be derived.
  • the volume flow and / or the mass flow in the area of the flow sensor at larger distances could possibly fall into a range outside the optimum measuring range of the flow sensor.
  • the distance-dependent reduction of the operating pressure in the proposed manner it can be achieved that the volume flow and / or mass flow of the pressurized fluid remain within the measuring range of the flow sensor even at large distances, so that accurate measured values can be achieved.
  • the critical measurements at particularly large distances, i. in the final stage of machining operations to be particularly accurate, without leakage problems in the feed lines and interfaces adversely affecting the measurement.
  • flow sensors can be used. Particularly suitable flow sensors operate on the thermal principle of anemometry, that is to say according to a method in which the flow is determined by means of heat losses in the range of the throughput. - - Flow sensor is determined (Heat Loss method). It has been found that thus particularly favorable signal-to-noise ratios or useful signals which can be evaluated particularly well can be achieved. Flow sensors that use other measurement principles, such as Pitot tube flow sensors, Venturi nozzle flow sensors, vortex flow sensors, ultrasonic flow sensors, or electromagnetic flow sensors, may also be suitable if designed appropriately ,
  • the measuring system is designed as a hydraulic measuring system which works with a suitable liquid as the pressurized fluid.
  • a pressurized fluid for example, a cooling lubricant of the type can be used, which is used anyway in the material-removing fine machining for cooling, lubrication and chip removal.
  • an incompressible fluid as a pressurized fluid, particularly accurate measurements are possible even if the transducer (flow sensor) has a greater distance from the measuring nozzle.
  • higher sampling rates (number of measurements per unit of time) than in the air measurement are possible because changes in distance in the area of the measuring nozzle become noticeable more quickly at the measuring location (away from the measuring nozzle) due to the incompressibility of the pressure fluid. This improves the suitability for more complex shape measurements, possibly also in several levels.
  • the invention also relates to a measuring system suitable for carrying out the method described in this application for measuring a finely machined workpiece surface of a workpiece.
  • the invention also relates to a fine machining device, which is associated with at least one measuring system according to the invention.
  • the measuring system can be used, for example, in a honing machine or in a finishing machine. - be integrated. It is also possible to design the measuring system as a measuring station separate from a processing machine.
  • the measuring system is designed as an in-process measuring system.
  • at least one measuring nozzle is attached to the finishing tool of the device, so that the fine machining tool serves as a support for the measuring nozzle.
  • at least one measuring nozzle can be attached to a honing tool.
  • a measuring nozzle may be attached to a finishing arm designed to press abrasive abrasive (e.g., abrasive belt or honing stone) against the outer surface of a workpiece portion to be machined by means of a pressing means.
  • abrasive abrasive e.g., abrasive belt or honing stone
  • the measuring system may e.g. be configured as a diameter measuring system or form measuring system. Depending on the measuring task, the measuring system can have one or more measuring nozzles. Their spatial arrangement and the evaluation of the sensor signals of the flow sensor determine which surface measured values are detected and which information about the measured workpiece surface is derived therefrom.
  • An evaluation device of the measuring system can be signal-transmitting connected to a control device of the fine-machining machine or be part of this control device and together with it form a control device for controlling the processing on the basis of measurement data obtained with the measuring system.
  • the processing time and / or the contact pressure of cutting material eg, honing stones or grinding belt
  • the contact pressure of cutting material can be controlled on the basis of measured values of the measuring system in order to be able to maintain tight production tolerances even for larger series of workpieces to be machined.
  • Fig. 1 shows a schematic view of an embodiment of a
  • Fig. 2 shows schematically the functional relationship between the fluid flow through the flow sensor and the distance between the measuring nozzle and the bore wall at a constant pressure of the compressed gas source;
  • Fig. 3 shows schematically examples of a reduction of the operating pressure of the compressed air source with increasing measuring distance.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a designed as a vertical honing honing machine 100 is shown, the - - For example, can be used for honing essentially cylindrical inner surfaces of holes in workpieces for engine construction.
  • the honing machine 100 has a plurality of honing units, of which only one honing unit 110 is shown in FIG.
  • the honing unit 110 includes a stationary assembly and a movable assembly relative to the stationary assembly.
  • the movable assembly includes a honing spindle 132 mounted with a vertical spindle axis 133 and a drive rod 135 which is coupled to the lower, free end of the honing spindle 132 by means of a spindle-side hinge 136.
  • a honing tool 140 is limitedly coupled movable.
  • the honing spindle is rotatable about its spindle axis 133 and can also be displaced in an axial reciprocating motion to produce the typical for honing superimposition of a rotational movement with an axially oscillating movement.
  • the honing stones 142 arranged on the honing tool 140 can be delivered or withdrawn in the radial direction in order to set the effective diameter of the honing tool desired for processing.
  • the spindle drive 122 and the delivery system are controlled by means of a control unit 125 of the honing machine.
  • a workpiece 160 which may be, for example, an engine block (cylinder crankcase) for an internal combustion engine or a cylinder liner to be installed in an engine block.
  • the workpiece is clamped in a clamping device 126 of the honing machine and is in the processing position.
  • the honing tool is inserted into a substantially cylindrical bore 161 of the workpiece in order, with the aid of a suitably designed honing process, to adjust the macro-shape of the hole of predetermined diameter and a desired upper surface.
  • - - surface structure of the substantially concave cylindrical curved bore inner surface 165 to achieve. This is in this example, the workpiece surface to be machined by the finishing process réellehonen.
  • the honing machine has for each of its honing units an integrated measuring system 150, which allows before, during and / or after honing by "in-process measurement" to determine the actual diameter of the bore, to transmit corresponding signals to the control system 125 honing system and
  • an in-process measurement for example, the current diameter dimension of the bore can be constantly monitored during honing
  • the processing can be ended via the control unit 125 of the honing machine (shut-off regulation).
  • the measuring system 150 is a pneumatic measuring system operating by means of compressed air. It comprises a pair of measuring nozzles 152, 153, which are arranged diametrically opposite the honing tool 140 between the honing beads 142, which are spaced apart in the circumferential direction, in the axial working region of the honing stones.
  • a compressed air source 151 equipped with a compressor is attached, from which compressed air is passed via a system of communicating compressed air lines to the measuring nozzles 152, 153 attached to the honing tool.
  • the operating pressure provided by the compressed air source can be adjusted continuously or in stages via the control device.
  • the compressed air line system includes a stationary compressed air line section 154, a pneumatic rotary transformer 155, which is often referred to as an air distributor, between the stationary assembly and the movable assembly, and for each - -
  • Measuring nozzle a compressed air line 156, 157, the spindle side of the air distributor leads to the respective measuring nozzle.
  • a flow sensor 170 is mounted, with which the fluid flow flowing from the compressed air source 151 in the direction of the measuring nozzles 152, 153, i. the volume flow and / or mass flow of the compressed air, can be measured permanently.
  • the pneumatic flow sensor 170 generates an electrical sensor signal which directly depends on the volume of compressed air flowing through the associated line section per unit time and / or on the mass of compressed air flowing through this line section per unit time.
  • the flow sensor is signal-transmitting connected to the control unit 125, in which an evaluation device for the sensor signals of the flow sensor is integrated.
  • the flow sensor 170 of the embodiment operates on the thermal principle of anemometry, ie, a heat loss method.
  • Flow sensors type SFAB from Festo AG & Co. KG, Esslingen have proven to be particularly suitable for this purpose. With a very broad measuring range, ranging from 0.1 l / min to 1000 l / min, volume flows occurring in such a pneumatic measuring system (typically between 5 l / min to 1000 l / m) with high accuracy and reproducibility in electrical sensor signals are converted.
  • the measuring principle used here of the pneumatic measuring system makes use of the fact that the amount of air exiting through the measuring nozzles 152, 153 per unit time stands in an unambiguous and quantitatively detectable relationship to the distance A of the respective measuring nozzle from an opposite bore wall. As can be seen directly from the detail in FIG. 1, this distance A (measuring distance) depends directly on the flow cross section. - - Together, which is the outflowing compressed air (arrows) after exiting the measuring nozzle 152 available. If the distance is small, then the flow cross-section available for the air outlet port is small, so that at a given operating pressure P of the compressed-air source 151 only a specific amount per unit time can flow through the compressed-air line system and thus also through the flow-through sensor 170.
  • the flow cross-section available for the outflow of compressed air increases so that more compressed air per unit time can flow through the compressed gas line system from the compressed gas source 151 through the measuring nozzles into the space between the honing tool and the bore inner wall.
  • FIG. 2 schematically shows the functional relationship between the fluid flow F (volume flow and / or mass flow) of the compressed air and the distance A (measuring distance) at a constant pressure P of the compressed gas source 151.
  • the fluid flow tends to increase with increasing distance A, whereby the relationship can be linear or non-linear, but in any case can be characterized by a continuous function without jumps.
  • the fluid flow F is therefore fundamentally suitable as a measured variable for the distance A.
  • such a measuring system can also be used in honing stages, in which a great deal of material is removed and in which the currently possible measuring ranges would be exceeded when using conventional pneumatic measuring systems.
  • certain pre-honing operations may be mentioned, or so-called "roughing", in which chip rates comparable to those of conventional fine boring methods can be achieved
  • so-called high-performance fine machining which is described in the applicant's European patent application EP 1 932 620 A1
  • pneumatic measuring systems with a flow sensor can be used with particular advantage.
  • FIG. 2 Another advantage of fluidic measuring systems according to the invention in comparison with conventional pneumatic measuring systems will be explained with reference to FIG.
  • the fluid flow detectable by the flow measurement increases continuously (with constant operating pressure) as the distance A increases.
  • This tendency is in opposition to the tendency of conventional pneumatic metering systems to work with pressure measurement.
  • the back pressure decreases at constant operating pressure of the compressed gas source with increasing distance.
  • the operating pressure of the compressed gas source is usually set to larger values before the measurement, if it is necessary to measure with larger absolute values of the distance. This can lead to the falsification of measured values, especially in older air measuring systems due to leaks within the compressed gas line system.
  • Fig. 3 is shown schematically with the solid line, a possible functional relationship between the operating pressure P and the measuring distance A when using a fluidic measuring system with flow sensor.
  • the operating pressure may be reduced intermittently in increments of increasing distance.
  • an operating pressure Pi is set in advance. If the expected distance values lie in the range Ai ⁇ A ⁇ A 2 , then a lower operating pressure P 2 is preset. At even higher measuring distances beyond A 2 , P 3 is measured with a further reduced operating pressure, etc.
  • a changeover of the measuring range at the flow sensor can thereby possibly be avoided. Since it is possible to work with reduced operating pressure in the end phase of the final machining phase, ie in the case of the largest distance values, the risk of fluid loss at leakage points is lower and the measurement accuracy remains largely constant over the entire measuring range.
  • the flow sensor is seated between air distributor 155 and compressed gas source 151, so that the sum of the partial fluid flows flowing from the compressed gas source 151 to the two measuring nozzles 152, 153 is detected. It is also possible to arrange a separate flow sensor in each of the compressed gas lines 156, 157, so that the fluid flows flowing to the individual measuring nozzles can be detected separately Flow sensors can then be electrically averaged if necessary or evaluated separately. - -
  • the flow sensor 170 is fixedly attached to a fixed component of the honing machine. It is also possible to attach one or more flow sensors to a component of the honing machine which is movable during machining, for example on or in the honing spindle 132 or the drive rod 135. Optionally, additional balancing weights may be provided to compensate for possible imbalances in the rotation of the honing spindle prevent.
  • a fluidic geometry measurement using one or more flow sensors is also possible with other finishing methods, e.g. Finishing (Superfinishing).
  • Finishing e.g. Finishing (Superfinishing).
  • the measuring nozzles of such a fluidic measuring system could be mounted at the points where radar sensors are mounted there.

Landscapes

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Abstract

Zum berührungslosen Messen der Geometrie einer Werkstückoberfläche (165), insbesondere zur Messung der Geometrie von im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmten Werkstückoberflächen an mittels Honen oder Finishen bearbeiteten Werkstückabschnitten vor, während und/oder nach einer Feinbearbeitung, wird ein Messsystem (150) verwendet, das mindestens eine Messdüse (152, 153) aufweist, die an einem Werkzeug (140) angebracht und über eine Druckfluidleitung (156, 157, 155, 154) mit einer entfernt von der Messdüse angeordneten Druckfluidquelle (151) verbunden ist. Die Messdüse wird zur Durchführung einer Messung in die Nähe der Werkstückoberfläche (165) gebracht und eine vom Abstand (A) zwischen der Messdüse und der Werkstückoberfläche abhängige Eigenschaft des Druckfluids wird gemessen und zur Bestimmung des Abstands ausgewertet. Dabei wird mittels eines Durchfluss-Sensors (170) ein Fluidstrom des durch die Druckfluidleitung zu der Messdüse strömenden Druckfluids gemessen und ein Sensorsignal des Durchfluss-Sensors wird zur Ermittlung des Abstands ausgewertet.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur fluidischen Geometriemessung
HINTERGRUND
Die Erfindung betrifft Verfahren zum berührungslosen Messen der Geometrie einer Werkstückoberfläche mit Hilfe eines fluidischen Messsystems nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , eine Vorrichtung zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks nach dem Oberbegriff von Anspruch 10, sowie ein Messsystem, welches im Rahmen des Verfahrens und der Vorrichtung einsetzbar ist.
Zu den bevorzugten Anwendungsgebieten gehören die messungsunter- stützte Feinbearbeitung von Innenflächen von Bohrungen durch Innenhonen und die messungsunterstützte Feinbearbeitung von weitgehend rotationssymmetrisch gekrümmten Außenflächen von Werkstücken durch Bandfinishen bzw. Superfinishen oder Außenhonen, wobei im Zusammenhang mit der Feinbearbeitung, d.h. vor, während und/oder nach der Feinbearbeitung, eine Messung zur Bestimmung der Geometrie der Werkstückoberfläche durchgeführt wird.
STAND DER TECHNIK
Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem vielschneidige Honwerkzeuge eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführen, die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der bearbeiteten Innenfläche mit überkreuzten Bearbeitungsspuren führt. Durch Honen sind end bearbeitete Oberflächen herstellbar, die extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen. Dementsprechend werden beispielsweise beim Motorenbau - -
Zylinderlaufflächen, d.h. Innenflächen von Zylinderbohrungen in einem Motorblock oder in einer in einen Motorblock einzubauenden Zylinderhülse, und Lagerflächen für Wellen einer Honbearbeitung unterzogen. Bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen werden typischerweise mehrere unterschiedliche, aufeinander folgende Honoperationen durchgeführt, beispielsweise ein Vorhonen zur Erzeugung der gewünschten Makroform der Bohrung und ein Fertighonen, mit dem die am fertigen Werkstück benötigte Oberflächenstruktur erzeugt wird. Durch Messschritte kann der Bearbeitungserfolg überprüft werden.
Für die Feinbearbeitung rotationssymmetrisch gekrümmter Werkstückaußenflächen wird häufig das sogenannte Superfinishen oder Bandfinis- hen eingesetzt, bei dem bandförmiges Schleifmittel mit Hilfe geeignet geformter Andrückeinrichtungen an die zu bearbeitende Außenkontur gepresst wird. Durch kurzhubig oszillierende Axialbewegung des Schleifmittels in axialer Richtung in Verbindung mit einer Rotation des bearbeiteten Werkstückabschnittes um seine Achse wird die für den Materialabtrag erforderliche Bearbeitungsbewegung erzeugt. Gekrümmte Werkstückaußenflächen, beispielsweise an Kolbenstangen oder dergleichen, können auch durch Außenhonen bearbeitet werden. Auch bei gekrümmten Werkstückaußenflächen ist es häufig gewünscht, den Bearbeitungserfolg messtechnisch zu erfassen.
Beim Honen sind in der Regel sehr enge Toleranzvorgaben hinsichtlich der Makroform und der z.B. durch den Bohrungsdurchmesser quantifizierten Größe der Bohrung einzuhalten. Man setzt in manchen Fällen integrierte Inprozess-Messsysteme ein, welche während des Honprozesses sowie nach einzelnen Honstufen den aktuellen Durchmesser der Bohrung (Ist-Durchmesser) ermitteln können. Dieser Wert kann dann zur Regelung des Honprozesses verwendet werden, z.B. im Rahmen einer Abschaltregelung. - -
Es sind auch Honvorrichtungen mit einer der Bearbeitungsstation nachgeschalteten Postprozess-Messstation bekannt. In einer Postprozess- Messstation kann der Bohrungsdurchmesser an mehreren Stellen in der Bohrung ermittelt und die so erhaltenen Informationen können miteinander verknüpft werden. So lässt sich neben der Durchmesserinformation auch Aufschluss über die Makroform der erzeugten Bohrung gewinnen. Postprozess-Messstationen dienen häufig primär zur Qualitätskontrolle, d.h. zur Unterscheidung in Gutteile und Schlechtteile.
Es ist auch möglich, eine Postprozess-Messstation in den Regelkreis einer Honanlage einzubinden und die Messergebnisse zur Regelung vorgeschalteter Honstufen zu verwenden. Die DE 38 27 892 C2 zeigt eine Honvorrichtung mit Nachmessstation, bei der die Messergebnisse zur Regelung der radialen Zustellung der Honsteine bei einem Honwerkzeug mit großem radialen Verstellweg genutzt werden.
Die beschriebenen Messungen werden heutzutage üblicherweise mit pneumatischen Messsystemen durchgeführt, die gelegentlich auch als "Luftmesssysteme" bezeichnet werden. Ein pneumatisches Messsystem weist mindestens eine Messdüse auf, die an einem Werkzeug angebracht und über eine Druckgasleitung mit einer entfernt von der Messdüse angeordneten Druckgasquelle verbunden ist. Solche pneumatischen Messsysteme arbeiten nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip. Bei einer Messung strömt Druckluft aus der Messdüse in Richtung Bohrungswandung. Der sich ergebende Staudruck im Bereich der Messdüse dient als Maß für den Abstand der Messdüse zur Bohrungswandung. Ein mit der Messdüse über die Druckgasleitung verbundener Messwandler misst den Druck in der Druckgasleitung und sorgt für eine Umwandlung des (pneumatischen) Drucksignals in ein elektrisch weiterverarbeitbares Spannungssignal, welches einer Auswerteeinrichtung zugeführt und dort ausgewertet wird. - -
Die Messdüse wird also zur Durchführung einer Messung in die Nähe der Werkstückoberfläche gebracht und eine vom Abstand zwischen der Messdüse und der Werkstückoberfläche abhängige Eigenschaft des Druckgases, nämlich der Druck am Ort der Messung, wird gemessen und zur Bestimmung des Abstands ausgewertet.
Mittels zweier am Werkzeug diametral gegenüberliegender Messdüsen kann der Bohrungsdurchmesser ermittelt werden. Messungen an unterschiedlichen axialen Positionen und/oder in unterschiedlichen Drehstellungen des Werkzeugs können für eine Formmessung, also eine Messung der Makroform der Bohrung, genutzt werden.
Die Messdüsen sind im Falle von Inprozess-Messungen in das Honwerkzeug integriert. Im Falle von Postprozess-Messungen können sie an einem speziellen Messwerkzeug (Messdorn) angebracht sein.
Pneumatische Messeinrichtungen sind robust und ermöglichen ein berührungsloses, vom Werkstoff des Messobjekts unabhängiges Messen und im Rahmen ihres Messbereichs hohe Messgenauigkeiten in der Größenordnung weniger Mikrometer. Die Wiederholgenauigkeit der aufgenommenen Messwerte kann (in Abhängigkeit der Oberflächenrauig- keit und bei statischer Messung) bei weniger als 0.5 μητι liegen. Bei dynamischer Messung, z.B. bei drehendem Werkzeug, ist der aufgenommene Messwert ein Mittelwert der Entfernung der Messdüse von den überstrichenen Punkten der Werkstückoberfläche.
Allerdings ist der Messbereich relativ beschränkt.
Um aussagekräftige Messwerte aufnehmen zu können, müssen die Messdüsen in einen gewissen, relativ eng begrenzten Abstandsbereich (typischerweise wenige 100 μητι, z.B. ca. 200 μητι) von der Werkstückoberfläche, z.B. einer Bohrungswandung, angeordnet sein. Die Breite - - des dann nutzbaren, linearen Messbereichs liegt typischerweise zwischen 100 μητι und 200 μητι.
Zwischen der Messdüse und dem Messwandler, der das Drucksignal in ein maschinenverarbeitbares elektrisches Signal umsetzt, kann eine Kette potentieller Störeinflüsse liegen, die die Genauigkeit der Messung negativ beeinflussen können. Beispielsweise können Undichtigkeiten an Luftschläuchen, Luftverteilerringen und Schnittstellen, z.B. Anschlussstutzen der Luftschläuche, zu Messfehlern führen. Da eventuelle Porositäten an Schläuchen typischerweise erst nach gewissen Zeiten auftreten, ergibt sich ein gewisses Risiko hinsichtlich stabiler Prozessqualität. Außerdem kann ggf. die Dehnbarkeit von Schläuchen zu einem sich geringfügig ändernden Gesamtluftvolumen und damit zu Druckänderungen führen, die die Messung verfälschen können. Je größer das Gesamtluftvolumen ist, desto länger dauert es, bis Druckschwankungen durch die Trägheit des Systems an den Messwandler übertragen werden.
In der Dissertationsschrift„Inprozess-Geometriemessung beim Honen" von P. Uebelhör, in: Forschungsberichte aus dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Universität Karlsruhe (Hrsg. Prof. Dr.-Ing. H. Weule), Band 56 (1994), wurden andere berührungslos arbeitende Wegmesssysteme auf ihre Verwendbarkeit zur Inprozess- Geometriemessung beim Honen untersucht. Hierzu wurden Versuche mit einem Wirbelstrommesssystem und einem kapazitiven Messsystem durchgeführt.
Die Patentanmeldung DE 10 2012 01 1 470 A1 beschreibt die Verwendung von Radar-Sensoren bei der Messung feinbearbeiteter Werkstückoberflächen. Messsysteme mit Radar-Sensoren sind hoch-dynamisch und können z.B. zur Durchmessermessung, zur Messung der Makro- form und zur Rauheitsmessung genutzt werden. Die Verwendung von - -
Radar-Sensoren zum Vermessen von Werkstückaußenflächen beim Fi- nishen ist ebenfalls beschrieben.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur messunterstützten Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen sowie ein im Rahmen des Verfahrens und der Vorrichtung verwendbares Messsystem bereitzustellen, die einen großen Messbereich haben und sich durch hohe Messgenauigkeit im gesamten Messbereich auszeichnen. Bei Bedarf soll eine Integration des Messsystems in eine Feinbearbeitungsanlage zur Durchführung von Inprozess-Messungen mit geringem konstruktiven Aufwand möglich sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 , ein Messsystem mit den Merkmalen von Anspruch 5 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 10 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Gemäß der beanspruchten Erfindung zeichnet sich ein gattungsgemäßes Verfahren zum berührungslosen Messen der Geometrie einer Werkstückoberfläche mithilfe eines fluidischen Messsystems dadurch aus, dass mittels eines Durchfluss-Sensors ein Fluidstrom (Volumenstrom und/oder Massenstrom) des durch die Druckfluidleitung zur Messdüse strömenden Druckfluids gemessen und ein Sensorsignal des Durchfluss-Sensors zur Ermittlung des Abstands ausgewertet wird.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die durch eine definierte Messdüse pro Zeiteinheit ausströmende Menge eines Druckfluids in einer eindeutigen Beziehung zum Abstand der Messdüse von der Werk- - -
Stückoberfläche steht. Diese Beziehung muss nicht notwendigerweise linear sein. Da jedoch ein eindeutiger Zusammenhang zwischen diesem Abstand und dem Fluidstrom (Volumenstrom und/oder Massenstrom) des durch die Druckfluidleitung strömenden Druckfluids besteht, der gegebenenfalls durch Kalibrierung quantitativ bestimmbar ist, können Durchfluss-Sensoren zur Abstandsmessung verwendet werden. Das vom Durchfluss-Sensor gelieferte Sensorsignal, beispielsweise ein elektrisches Signal in Form einer Messspannung oder eines elektrischen Stroms, kann an eine Auswerteeinrichtung übertragen und zur Ermittlung des Abstands ausgewertet werden.
Durchfluss-Sensoren werden bisher typischerweise zum Zwecke der Leckage-Erkennung oder der Dichtigkeitsprüfung oder im Rahmen von Durchflussregelungen in fluidischen Systemen (d.h. in pneumatischen Systemen oder hydraulischen Systemen) eingesetzt. Die Erfindung schlägt nun u.a. die Verwendung eines Durchfluss-Sensors in einem fluidischen Messsystem zum berührungslosen Messen der Form einer Werkstückoberfläche vor, und zwar zur Messung des Fluidstroms eines Druckfluids, welches in einer Druckfluidleitung fließt, die eine Druckfluid- quelle des Messsystems mit einer entfernt von der Druckfluidquelle an einem Werkzeug angebrachten Messdüse des Messsystems verbindet.
Bei Verwendung (mindestens) eines Durchfluss-Sensors in einem fluidischen Messsystem der gattungsgemäßen Art ergeben sich im Vergleich zu herkömmlichen pneumatischen Messsystemen, die mithilfe von Drucksensoren in der Druckfluidleitung arbeiten, erhebliche Vorteile. Insbesondere ist eine erhebliche Vergrößerung des nutzbaren Messbereichs möglich. Versuche haben gezeigt, dass sich je nach Durchfluss- Sensortyp auswertbare Messbereiche bis zu ca. 400 μητι pro Messdüse, ggf. sogar noch größere Messbereiche ergeben. Dies entspricht bei einer Durchmessermessung in einer Bohrung, die mithilfe zweier diametral gegenüberliegender Messdüsen durchgeführt werden kann, einem - -
Durchmesserunterschied von bis zu ca. 800 μητι oder sogar mehr. Das ist gegenüber herkömmlichen pneumatischen Messsystemen eine deutliche Ausweitung des nutzbaren Messbereichs. Der vergrößerte Messbereich erlaubt Standardisierungen in der Werkzeugkonstruktion, da Werkzeuge mit gleichem Werkzeuggrundkörper für einen größeren Durchmesserbereich eingesetzt werden können. Dies trägt dazu bei, Kosten einzusparen.
Außerdem kann ein Messsystem mit einem großen Messbereich im Rahmen von Honstufen oder anderen Feinbearbeitungsstufen eingesetzt werden, die sehr viel Material abtragen, da sowohl bei Beginn der Bearbeitung (relativer kleiner Abstand der Werkstückoberfläche zur Messdüse) als auch in der Endphase der Bearbeitung (relativ großer Abstand der Werkstückoberfläche zur Messdüse) noch eine ausreichende Messgenauigkeit gegeben ist. Gerade die Messgenauigkeit bei großen Abständen ermöglicht es, das jeweils am Ende einer Bearbeitungsstufe angestrebte Endmaß exakt zu erreichen. Untersuchungen haben gezeigt, dass Fluidstrommessungen gerade im Bereich größerer Abstände ein deutlich besseres Signal-Rausch-Verhältnis haben können als Druckmessungen, so dass die Messgenauigkeit auch bei größeren Abständen noch ausreichend bleibt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das fluidische Messsystem als pneumatisches Messsystems ausgelegt, welches mit einem Druckgas, insbesondere Druckluft, als Druckfluid arbeitet. Die Komponenten eines solchen Messsystems können im Wesentlichen identisch oder funktionell ähnlich sein wie diejenigen herkömmlicher Luftmesssysteme, wobei im Unterschied zu diesen anstelle eines Wandlers, welcher den Druck des Druckfluids in der Druckfluidleitung in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal umwandelt, nun ein Durchfluss-Sensor verwendet wird, mit welchem der Volumenstrom und/oder Massenstrom des an der - -
Messstelle durchströmenden Druckfluids quantitativ erfasst werden kann.
In vielen Fällen wird es möglich sein, ein herkömmliches pneumatisches Messsystem in ein erfindungsgemäßes pneumatisches Messsystem umzurüsten, indem an geeigneter Stelle einer zur Messdüse führenden Druckfluidleitung anstelle eines Drucksensors ein Durchfluss-Sensor angebracht und mit der entsprechend umkonfigurierten Auswerteeinrichtung verbunden wird.
Bei Verwendung von Durchfluss-Sensoren können einige der eingangs beschriebenen Probleme herkömmlicher fluidischer Messsysteme vermieden oder vermindert werden. Bei herkömmlichen pneumatischen Messsystemen wird häufig dann, wenn bei relativ großen Abständen gemessen werden soll, der Betriebsdruck der Druckfluidquelle erhöht, um auch bei größer werdendem Abstand zwischen Messdüse und Werkstückoberfläche noch ein ausreichend starkes, im Messbereich des Drucksensors liegendes Drucksignal an der Messstelle in der Druckfluidleitung zu erhalten. Bei Erhöhung des Betriebsdrucks können sich aber Undichtigkeiten an Luftschläuchen, Luftverteilern, Schnittstellen etc. überproportional durch Druckverluste bemerkbar machen, so dass die Messergebnisse eventuell verfälscht werden. Außerdem ergeben sich mit steigendem Betriebsdruck eventuell aufgrund der Dehnbarkeit von Schläuchen Volumenänderungen im Gesamtsystem, die zu Abweichungen des gemessenen Drucks vom tatsächlich im Bereich der Messdüse vorliegenden Druck führen können. Durch diese Einflüsse kann die Messgenauigkeit insbesondere im Bereich großer Abstände bei herkömmlichen pneumatischen Messsystemen begrenzt sein. Bei Flu- idstrommessungen stellen dagegen eventuelle Dehnungen im Schlauchsystem kein ernsthaftes Problem dar. - -
Auch bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Messverfahrens kann vorgesehen sein, den durch die Druckfluidquelle bereitgestellten Betriebsdruck des Druckfluids in Abhängigkeit vom zu messenden Abstand entsprechend einer vorgegebenen Abstandsfunktion vorab (vor der Messung) auf einen geeigneten Wert einzustellen. Hierzu kann eine entsprechende Einsteileinrichtung zur Veränderung des Betriebsdrucks vorgesehen sein. Vorzugsweise erfolgt die Einstellung so, dass der Betriebsdruck mit zunehmendem Abstand reduziert wird. Diese Maßnahme berücksichtigt, dass bei zunehmendem Abstand zwischen Messdüse und Werkstückoberfläche der für das Druckfluid nach Austritt aus der Messdüse zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt (Bereich zwischen Messdüse und Werkstückwand) größer wird, so dass der Strömungswiderstand sinkt und bei gleichem Betriebsdruck eine größere Menge des Druckfluids pro Zeiteinheit abgeleitet werden kann. Dementsprechend könnte der Volumenstrom und/oder der Massenstrom im Bereich des Durchfluss-Sensors bei größeren Abständen gegebenenfalls in einen Bereich außerhalb des optimalen Messbereichs des Durchfluss- Sensors geraten. Durch die abstandsabhängige Reduzierung des Betriebsdrucks in der vorgeschlagenen Weise kann dagegen erreicht werden, dass auch bei großen Abständen der Volumenstrom und/oder Massenstrom des Druckfluids innerhalb des Messbereichs des Durchfluss-Sensors bleibt, so dass genaue Messwerte erzielt werden können. Auf diese Weise können insbesondere die kritischen Messungen bei besonders großen Abständen, d.h. in der Endphase von Bearbeitungsoperationen, besonders genau sein, ohne dass Dichtigkeitsprobleme in den Zuführleitungen und an Schnittstellen die Messung negativ beeinflussen können.
Es können unterschiedliche Typen von Durchfluss-Sensoren verwendet werden. Besonders geeignete Durchfluss-Sensoren arbeiten nach dem thermischen Prinzip der Anemometrie, also nach einem Verfahren, bei dem der Durchfluss anhand von Wärmeverlusten im Bereich des Durch- - - fluss-Sensors ermittelt wird (Heat Loss Verfahren). Es hat sich gezeigt, dass damit besonders günstige Signal-Rausch-Verhältnisse bzw. besonders gut auswertbare Nutzsignale erzielbar sind. Durchfluss- Sensoren, die nach anderen Messprinzipien arbeiten, beispielsweise Staurohr-Durchfluss-Sensoren, Durchfluss-Sensoren mit Venturi-Düse, Wirbel-Durchfluss-Sensoren, Ultraschall-Durchfluss-Sensoren oder magnetisch-induktive Durchfluss-Sensoren können bei geeigneter Auslegung ebenfalls geeignet sein.
Es ist auch möglich, dass das Messsystem als ein hydraulisches Messsystem ausgelegt ist, welches mit einer geeigneten Flüssigkeit als Druckfluid arbeitet. Als Druckfluid kann beispielsweise ein Kühlschmierstoff des Typs verwendet werden, der bei der Material abtragenden Feinbearbeitung ohnehin zur Kühlung, Schmierung und zur Späneabfuhr verwendet wird. Bei Verwendung einer inkompressiblen Flüssigkeit als Druckfluid sind besonders genaue Messungen auch dann möglich, wenn der Messwandler (Durchfluss-Sensor) einen größeren Abstand von der Messdüse hat. Außerdem sind höhere Abtrastraten (Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit) als bei der Luftmessung möglich, weil sich Abstandsänderungen im Bereich der Messdüse aufgrund der Inkompressi- bilität des Druckfluids schneller am Messort (entfernt von der Messdüse) bemerkbar machen. Hierdurch verbessert sich die Eignung für komplexere Formmessungen, ggf. auch in mehreren Ebenen.
Die Erfindung betrifft auch ein zur Durchführung des in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahrens geeignetes Messsystem zur Messung einer feinbearbeiteten Werkstückoberfläche eines Werkstücks.
Die Erfindung betrifft auch eine Feinbearbeitungsvorrichtung, der mindestens ein erfindungsgemäßes Messsystem zugeordnet ist. Das Messsystem kann z.B. in eine Honmaschine oder in eine Finishmaschine in- - - tegriert sein. Es ist auch möglich, das Messsystem als eine von einer Bearbeitungsmaschine gesonderte Messstation auszulegen.
Vorzugsweise ist das Messsystem als Inprozess-Messsystem ausgelegt. Hierzu ist bei bevorzugten Varianten vorgesehen, dass mindestens eine Messdüse an dem Feinbearbeitungswerkzeug der Vorrichtung angebracht ist, so dass das Feinbearbeitungswerkzeug als Träger für die Messdüse dient. Bei einer Honvorrichtung kann mindestens eine Messdüse an einem Honwerkzeug angebracht sein. Bei einer Finishvorrichtung kann eine Messdüse an einem Finisharm angebracht sein, der dazu vorgesehen ist, abrasives Schleifmittel (z.B. Schleifband oder Honstein) mit Hilfe einer Andrückeinrichtung an die zu bearbeitende Außenfläche eines Werkstückabschnittes anzudrücken.
Das Messsystem kann z.B. als Durchmessermesssystem oder Formmesssystem konfiguriert sein. Entsprechend der Messaufgabe kann das Messsystem eine oder mehrere Messdüsen aufweisen. Deren räumliche Anordnung sowie die Auswertung der Sensorsignale des Durchfluss- Sensors bestimmen, welche Oberflächenmesswerte erfasst und welche Informationen über die gemessene Werkstückoberfläche daraus abgeleitet werden.
Eine Auswerteeinrichtung des Messsystems kann mit einer Steuereinrichtung der Feinbearbeitungsmaschine signalübertragend verbunden bzw. Teil dieser Steuereinrichtung sein und gemeinsam mit dieser eine Regeleinrichtung zur Steuerung der Bearbeitung auf Basis von mit dem Messsystem erhaltenen Messdaten bilden. Beispielsweise kann die Bearbeitungszeit und/oder der Anpressdruck von Schneidstoff (z.B. Honsteinen oder Schleifband) auf Basis von Messwerten des Messsystems gesteuert werden, um auch bei größeren Serien zu bearbeitender Werkstücke enge Fertigungstoleranzen einhalten zu können. - -
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer
Honmaschine zur Honbearbeitung zylindrischer Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken mit einem integrierten pneumatischen Messsystem, welches mit einem Durchfluss-Sensor ausgestattet ist,
Fig. 2 zeigt schematisch den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Fluidstrom durch den Durchfluss-Sensor und dem Abstand zwischen Messdüse und Bohrungswand bei konstantem Druck der Druckgasquelle; und
Fig. 3 zeigt schematisch Beispiele für eine Absenkung des Betriebsdrucks der Druckluftquelle bei zunehmendem Messabstand.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden am Beispiel des Feinbearbeitungsverfahrens„Honen" erläutert.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer als Vertikal-Honmaschine ausgelegten Honmaschine 100 gezeigt, die - - z.B. für die Honbearbeitung im Wesentlichen zylindrischer Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken für den Motorenbau genutzt werden kann. Die Honmaschine 100 hat mehrere Honeinheiten, von denen in Fig. 1 nur eine Honeinheit 1 10 gezeigt ist. Die Honeinheit 1 10 umfasst eine stationäre Baugruppe und eine relativ zur stationären Baugruppe bewegliche Baugruppe. Zur beweglichen Baugruppe gehören eine Honspindel 132, die mit vertikal verlaufender Spindelachse 133 montiert ist, sowie eine Antriebsstange 135, die mit Hilfe eines spindelseitigen Gelenks 136 an das untere, freie Ende der Honspindel 132 angekoppelt ist. Am unteren, freien Ende der Antriebsstange ist mit Hilfe eines mehrachsigen Gelenks 137 ein Honwerkzeug 140 begrenzt beweglich angekoppelt. Mit Hilfe eines Spindelantriebs 122 ist die Honspindel um ihre Spindelachse 133 drehbar und kann zudem in eine axiale Hin- und Herbewegung versetzt werden, um die für das Honen typische Überlagerung einer Rotationsbewegung mit einer axial oszillierenden Bewegung zu erzeugen. Mit Hilfe eines nicht dargestellten elektromechanischen und/oder hydraulischen Zustellsystems können die am Honwerkzeug 140 angeordneten Honleisten 142 in Radialrichtung zugestellt bzw. zurückgezogen werden, um den für die Bearbeitung gewünschten wirksamen Durchmesser des Honwerkzeuges einzustellen. Der Spindelantrieb 122 und das Zustellsystem werden mit Hilfe einer Steuereinheit 125 der Honmaschine angesteuert.
Fig. 1 zeigt die Honmaschine bei der Bearbeitung eines Werkstückes 160, bei dem es sich beispielsweise um einen Motorblock (Zylinderkurbelgehäuse) für eine Brennkraftmaschine oder um eine in einen Motorblock einzubauende Zylinderlaufbuchse handeln kann. Das Werkstück ist in eine Spannvorrichtung 126 der Honmaschine eingespannt und befindet sich in der Bearbeitungsposition. Das Honwerkzeug ist in eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung 161 des Werkstücks eingeführt, um mit Hilfe eines geeignet ausgelegten Honprozesses die Makroform der Bohrung mit vorgegebenem Durchmesser sowie eine gewünschte Ober- - - flächenstruktur der im Wesentlichen konkav zylindrisch gekrümmten Bohrungsinnenfläche 165 zu erzielen. Diese ist in diesem Beispiel die mittels des Feinbearbeitungsprozesses Innenhonen zu bearbeitende Werkstückoberfläche.
Die Honmaschine hat für jede ihrer Honeinheiten ein integriertes Messsystem 150, welches es erlaubt, vor, während und/oder nach einer Honbearbeitung im Wege einer„Inprozessmessung" den aktuellen Durchmesser der Bohrung zu ermitteln, entsprechende Signale an die Steuerung 125 der Honanlage zu übertragen und auf diese Weise eine Prozessregelung des Honprozesses zu ermöglichen. Mit Hilfe einer Inprozessmessung kann z.B. das aktuelle Durchmessermaß der Bohrung während des Honens ständig überwacht werden. Wenn das angestrebte Sollmaß erreicht ist, kann die Bearbeitung über die Steuereinheit 125 der Honmaschine beendet werden (Abschaltregelung).
Das Messsystem 150 ist ein mittels Druckluft arbeitendes, pneumatisches Messsystem. Es umfasst ein Paar von Messdüsen 152, 153, die am Honwerkzeug 140 diametral gegenüberliegend zwischen den in Um- fangsrichtung beabstandeten Honleisten 142 im axialen Arbeitsbereich der Honleisten angeordnet sind.
In der stationären Baugruppe der Honmaschine oder außerhalb davon eine mit einem Verdichter ausgestattete Druckluftquelle 151 angebracht, von der Druckluft über ein System von kommunizierenden Druckluftleitungen zu den am Honwerkzeug angebrachten Messdüsen 152, 153 geleitet wird. Der von der Druckluftquelle bereitgestellte Betriebsdruck kann über die Steuereinrichtung stufenlos oder in Stufen eingestellt werden. Das Druckluft-Leitungssystem umfasst einen stationären Druckluftleitungsabschnitt 154, einen zwischen der stationären Baugruppe und der beweglichen Baugruppe angeordneten pneumatischen Rotierübertrager 155, der häufig auch als Luftverteiler bezeichnet wird, und für jede - -
Messdüse eine Druckluftleitung 156, 157, die spindelseitig vom Luftverteiler zu der jeweiligen Messdüse führt.
Im stationären Teil des Druckluft-Leitungssystems ist zwischen der Druckluftquelle 151 und dem stationären Teil des Luftverteilers 155 ein Durchfluss-Sensor 170 angebracht, mit dem der von der Druckluftquelle 151 in Richtung der Messdüsen 152, 153 fließende Fluidstrom, d.h. der Volumenstrom und/oder Massenstrom der Druckluft, permanent gemessen werden kann. Der pneumatische Durchfluss-Sensor 170 erzeugt ein elektrisches Sensorsignal, welches unmittelbar von der pro Zeiteinheit durch den zugehörigen Leitungsabschnitt fließenden Volumen der Druckluft und/oder von der pro Zeiteinheit durch diesen Leitungsabschnitt fließenden Masse der Druckluft abhängt. Der Durchfluss-Sensor ist signalübertragend mit der Steuereinheit 125 verbunden, in die eine Auswerteeinrichtung für die Sensorsignale des Durchfluss-Sensors integriert ist.
Der Durchfluss-Sensor 170 des Ausführungsbeispiels arbeitet nach dem thermischen Prinzip der Anemometrie, d.h. nach einem Wärmeverlustverfahren. Durchflusssensoren vom Typ SFAB der Festo AG & Co. KG, Esslingen, haben sich für diesen Zweck als besonders tauglich herausgestellt. Mit einem sehr breiten Messbereich, der von 0, 1 l/min bis 1000 l/min reicht, können Volumenströme, die in einem derartigen pneumatischen Messsystem auftreten (typischerweise zwischen 5 l/min bis 1000 l/m) mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit in elektrische Sensorsignale umgewandelt werden. Das hier genutzte Messprinzip des pneumatischen Messsystems nutzt aus, dass die durch die Messdüsen 152, 153 pro Zeiteinheit austretende Luftmenge in einer eindeutigen und quantitativ erfassbaren Beziehung zum Abstand A der jeweiligen Messdüse von einer gegenüberliegenden Bohrungswand steht. Wie aus dem Detail in Fig. 1 unmittelbar ersichtlich ist, hängt dieser Abstand A (Messabstand) unmittelbar mit dem Strömungsquerschnitt zu- - - sammen, der der ausströmenden Druckluft (Pfeile) nach Austritt aus der Messdüse 152 zur Verfügung steht. Ist der Abstand klein, so ist auch der zum Luftabtrangsport zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt klein, so dass bei gegebenen Betriebsdruck P der Druckluftquelle 151 nur eine bestimmte Menge pro Zeiteinheit durch das Druckluftleitungssystem und damit auch durch den Durchfluss-Sensor 170 hindurchfließen kann. Nimmt (bei gleichbleibendem Betriebsdruck) der Messabstand A zu, so vergrößert sich der zum Abströmen der Druckluft zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt, so dass mehr Druckluft pro Zeiteinheit durch das Druckgasleitungssystem von der Druckgasquelle 151 durch die Messdüsen in den Raum zwischen Honwerkzeug und Bohrungsinnenwand abfließen kann.
In Fig. 2 ist schematisch der funktionale Zusammenhang zwischen dem Fluidstrom F (Volumenstrom und/oder Massenstrom) der Druckluft und dem Abstand A (Messabstand) bei konstantem Druck P der Druckgasquelle 151 gezeigt. Tendenziell nimmt der Fluidstrom mit wachsendem Abstand A zu, wobei der Zusammenhang linear oder nicht-linear sein kann, in jedem Falle aber durch eine stetige Funktion ohne Sprünge charakterisiert werden kann. Der Fluidstrom F ist daher als Messgröße für den Abstand A grundsätzlich geeignet.
Versuche der Erfinder haben gezeigt, dass die Abstandsbestimmung mit Hilfe einer Durchflussmessung in einem pneumatischen Messsystem über einen relativ großen Messbereich (beispielsweise bis zu 400 μητι pro Messdüse) Messwerte mit ausreichender Absolutgenauigkeit (weniger als 1 μητι) liefert. Abhängig vom Sensortyp können voraussichtlich noch größere Messbereiche abgedeckt werden. Dies ist eine deutliche Vergrößerung des Messbereichs gegenüber herkömmlichen pneumatischen Messsystemen, die über eine Staudruckmessung arbeiten. Der große Messbereich erlaubt Standardisierungen in der Werkzeugkonstruktion in dem Sinne, dass beispielsweise der gleiche Werk- - - zeuggrundkörper für einen größeren Durchmesserbereich von Bohrungen als bisher benutzt werden kann. Hierdurch ergeben sich Kostenvorteile. Außerdem kann ein solches Messsystem auch in Honstufen eingesetzt werden, bei denen sehr viel Material abgetragen wird und bei denen bei Verwendung herkömmlicher pneumatischer Messsysteme die derzeit möglichen Messbereiche überschritten würden. Beispielhaft können bestimmte Vorhonoperationen genannt werden oder das sogenannte„Schrupphonen", bei dem Spanleistungen erzielbar sind, die mit den Spanleistungen konventioneller Feinbohrverfahren vergleichbar sind. Typische Abträge beim Schrupphonen können z.B. im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 mm bezogen auf den Durchmesser der Bohrung liegen. Auch bei der sogenannten Leistungsfeinhonbearbeitung, die in der europäischen Patentanmeldung EP 1 932 620 A1 der Anmelderin beschrieben ist, können pneumatische Messsysteme mit Durchflusssensor mit besonderem Vorteil genutzt werden.
Anhand von Fig. 3 wird ein anderer Vorteil erfindungsgemäßer fluidischer Messsysteme im Vergleich zu herkömmlichen pneumatischen Messsystemen erläutert. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, steigt (bei konstantem Betriebsdruck) der durch die Durchflussmessung erfassbare Fluidstrom mit wachsendem Abstand A stetig an. Diese Tendenz ist gegenläufig zu der Tendenz herkömmlicher pneumatischer Messsysteme, die mit einer Druckmessung arbeiten. Dort nimmt der Staudruck bei gleichbleibendem Betriebsdruck der Druckgasquelle mit zunehmendem Abstand ab. Bei herkömmlichen pneumatischen Messsystemen wird daher in der Regel der Betriebsdruck der Druckgasquelle vor der Messung auf größere Werte eingestellt, wenn bei größeren Absolutwerten des Abstandes gemessen werden muss. Dies kann gerade bei älteren Luftmesssystemen aufgrund von Undichtigkeiten innerhalb des Druckgas- Leitungssystems zur Verfälschung von Messwerten führen. - -
Bei fluidischen Messsystemen, die mittels einer Durchflussmessung arbeiten, kann dagegen der Betriebsdruck mit wachsendem Abstand reduziert werden. Durch Reduzierung des Betriebsdrucks kann erreicht werden, dass der Fluidstrom in jeden Abstandsbereich in einem für die Durchflussmessung besonders günstigen Wertbereich bleibt. In Fig. 3 ist schematisch mit der durchgezogenen Linie ein möglicher funktionaler Zusammenhang zwischen dem Betriebsdruck P und dem Messabstand A bei der Nutzung eines fluidischen Messsystems mit Durchflusssensor gezeigt. Der Betriebsdruck kann beispielsweise diskontinuierlich in Stufen mit wachsendem Abstand reduziert werden. Bei kleineren Messabständen bis Ai wird vorab ein Betriebsdruck Pi eingestellt. Liegen die erwarteten Abstandswerte im Bereich Ai < A < A2, so wird ein niedrigerer Betriebsdruck P2 voreingestellt. Bei noch höheren Messabständen jenseits A2 wird mit nochmals reduziertem Betriebsdruck P3 gemessen etc. Eine Umstellung des Messbereichs am Durchflusssensor kann dadurch ggf. vermieden werden. Da gerade in der für das Endmaß kritischen Endphase der Bearbeitung, d.h. bei den größten Abstandswerten, mit reduziertem Betriebsdruck gearbeitet werden kann, ist die Gefahr von Fluidverlust an Undichtigkeitsstellen hier geringer und die Messgenauigkeit bleibt im gesamten Messbereich weitgehend konstant.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sitzt der Durchfluss-Sensor zwischen Luftverteiler 155 und Druckgasquelle 151 , so dass die Summe der Teil-Fluidströme erfasst wird, die von der Druckgasquelle 151 zu den beiden Messdüsen 152, 153 fließt. Hierdurch wird eine„pneumatische Mittelung" der Messwerte erreicht. Es ist auch möglich, in jeder der Druckgasleitungen 156, 157 einen separaten Durchfluss-Sensor anzuordnen, so dass die zu den einzelnen Messdüsen fließenden Fluidströ- me separat erfasst werden können. Die entsprechenden Signale der Durchfluss-Sensoren können dann bei Bedarf elektrisch gemittelt oder gesondert ausgewertet werden. - -
Beim Ausführungsbeispiel ist der Durchfluss-Sensor 170 maschinenfest an einer unbeweglichen Komponente der Honmaschine angebracht. Es ist auch möglich, einen oder mehrere Durchfluss-Sensoren an einer bei der Bearbeitung beweglichen Komponente der Honmaschine anzubringen, beispielsweise an oder in der Honspindel 132 oder der Antriebsstange 135. Gegebenenfalls können zusätzlich Ausgleichsgewichte vorgesehen sein, um eventuelle Unwuchten bei der Rotation der Honspindel zu verhindern.
Eine fluidische Geometriemessung unter Verwendung von einem oder mehreren Durchfluss-Sensoren ist auch bei anderen Feinbearbeitungsverfahren möglich, z.B. beim Finishen (Superfinishen). Beispielsweise könnten bei der Finishvorrichtung aus Fig. 6 der DE 10 2010 01 1 470 A1 die Messdüsen eines solchen fluidischen Messsystems an den Stellen angebracht sein, wo dort Radarsensoren angebracht sind.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum berührungslosen Messen der Geometrie einer Werkstückoberfläche (165) mit Hilfe eines fluidischen Messsystems (150), insbesondere zur Messung der Geometrie von im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmten Werkstückoberflächen an mittels Honen oder Finishen bearbeiteten Werkstückabschnitten vor, während und/oder nach einer Feinbearbeitung,
wobei das Messsystem (150) eine Messdüse (152, 153) aufweist, die an einem Werkzeug (140) angebracht und über eine Druckfluidleitung (156, 157, 155, 154) mit einer entfernt von der Messdüse angeordneten Druckfluidquelle (151 ) verbunden ist,
wobei die Messdüse zur Durchführung einer Messung in die Nähe der Werkstückoberfläche (165) gebracht und eine vom Abstand (A) zwischen der Messdüse und der Werkstückoberfläche abhängige Eigenschaft des Druckfluids gemessen und zur Bestimmung des Abstands ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass mittels eines Durchfluss-Sensors (170) ein Fluidstrom des durch die Druckfluidleitung zu der Messdüse strömenden Druckfluids gemessen und ein Sensorsignal des Durchfluss-Sensors zur Ermittlung des Abstands ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Messsystem als pneumatisches Messsystems ausgelegt ist, welches mit einem Druckgas, insbesondere Druckluft, als Druckfluid arbeitet, oder dass das Messsystem als ein hydraulisches Messsystem ausgelegt ist, welches mit einer Flüssigkeit, insbesondere Kühlschmierstoff, als Druckfluid arbeitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Druckfluidquelle bereitgestellte Betriebsdruck (P) des Druckfluids in Abhängigkeit vom Abstand (A) entsprechend einer vorgegebenen Abstandsfunktion vorab auf einen geeigneten Wert eingestellt wird, wobei vorzugsweise der Betriebsdruck mit zunehmendem Abstand reduziert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidstrom des Druckfluids anhand von Wärmeverlusten im Bereich des Durchfluss-Sensors ermittelt wird.
5. Messsystem zur Messung der Geometrie einer feinbearbeiteten Werkstückoberfläche eines Werkstücks, insbesondere zur Messung der Geometrie von im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmten Werkstückoberflächen an mittels Honen oder Finishen bearbeiteten Werkstückabschnitten vor, während und/oder nach einer Feinbearbeitung, umfassend:
eine Messdüse (152, 153), die an einem Werkzeug (140) angebracht und über eine Druckfluidleitung (156, 157, 155, 154) mit einer entfernt von der Messdüse angeordneten Druckfluidquelle (151 ) verbunden ist,
wobei die Messdüse zur Durchführung einer Messung in die Nähe der Werkstückoberfläche bewegbar ist und eine vom Abstand (A) zwischen der Messdüse und der Werkstückoberfläche (165) abhängige Eigenschaft des Druckfluids gemessen und zur Bestimmung des Abstands ausgewertet wird,
gekennzeichnet durch,
einen Durchfluss-Sensor (170) zur Messung eines Fluidstroms des von der Druckfluidquelle (151 ) zu der Messdüse (152, 153) durch die Druckfluidleitung strömenden Druckfluids und zur Abgabe eines den Fluidstrom repräsentierenden Sensorsignals; und
eine an den Durchfluss-Sensor angeschlossene Auswerteeinrichtung zur Bestimmung des Abstands aus dem Sensorsignal.
6. Messsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das fluidische Messsystem als pneumatisches Messsystems ausgelegt ist, welches mit einem Druckgas, insbesondere Druckluft, als Druckfluid arbeitet, oder dass das Messsystem als ein hydraulisches Messsystem ausgelegt ist, welches mit einer Flüssigkeit, insbesondere Kühlschmierstoff, als Druckfluid arbeitet.
7. Messsystem nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine EinStelleinrichtung zur Veränderung des Betriebsdrucks (P) der Druck- fluidquelle in Abhängigkeit vom Abstand (A) entsprechend einer vorgegebenen Abstandsfunktion, wobei vorzugsweise die EinStelleinrichtung so konfiguriert ist, dass der Betriebsdruck mit zunehmendem Abstand reduzierbar ist.
8. Messsystem nach Anspruch 5, 6 oder 7, worin das Messsystem als Inprozess-Messsystem ausgelegt ist, wobei vorzugsweise die Messdüse (152, 153) an einem Feinbearbeitungswerkzeug (140) einer Vorrichtung (100) zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks (160) derart angebracht ist, dass das Feinbearbeitungswerkzeug als Träger für die Messdüse dient.
9. Messsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, worin das Messsystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgelegt ist.
10. Vorrichtung (100) zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks (160), insbesondere zum Honen oder Finishen von Werkstückabschnitten mit im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmten Werkstückoberflächen, mit
mindestens einem Feinbearbeitungswerkzeug (140) zur Bearbeitung der Werkstückoberfläche (165), und einem Messsystem (150) zur Vermessung der Geometrie der We rkstü cko be rf I äch e ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Messsystem gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9 und/oder zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, worin eine Auswerteeinrichtung des Messsystems (150) mit einer Steuereinrichtung (125) der Bearbeitungsmaschine signalübertragend verbunden ist und gemeinsam mit dieser eine Regeleinrichtung zur Steuerung der Feinbearbeitung auf Basis von mit dem Messsystem erhaltenen Messwerten bildet, wobei vorzugsweise die Bearbeitungszeit und/oder der Anpressdruck von Schneidstoffträgern auf Basis von Messwerten des Messsystems steuerbar sind.
12. Verwendung eines Durchfluss-Sensors (170) in einem fluidischen Messsystem (150) zum berührungslosen Messen der Geometrie einer Werkstückoberfläche zur Messung des Fluidstroms eines Druckfluids, welches in einer Druckfluidleitung fließt, die eine Druckfluidquelle (151 ) des Messsystems mit einer Messdüse (152, 153) des Messsystems verbindet, welche entfernt von der Druckfluidquelle an einem Werkzeug angebracht ist.
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