EP2995421B1 - Breitbandschleifmaschine mit regelung der spannwalze zum erzeugen eines vorbestimmten schleifmusters und verfahren hierzu - Google Patents

Breitbandschleifmaschine mit regelung der spannwalze zum erzeugen eines vorbestimmten schleifmusters und verfahren hierzu Download PDF

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EP2995421B1
EP2995421B1 EP15185043.5A EP15185043A EP2995421B1 EP 2995421 B1 EP2995421 B1 EP 2995421B1 EP 15185043 A EP15185043 A EP 15185043A EP 2995421 B1 EP2995421 B1 EP 2995421B1
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EP
European Patent Office
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grinding
belt
signal
wide
loop controller
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EP15185043.5A
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EP2995421A1 (de
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Georg Weber
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Publication of EP2995421B1 publication Critical patent/EP2995421B1/de
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    • 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
    • B24B21/00—Machines or devices using grinding or polishing belts; Accessories therefor
    • B24B21/18—Accessories
    • B24B21/20—Accessories for controlling or adjusting the tracking or the tension of the grinding belt
    • 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
    • B24B21/00—Machines or devices using grinding or polishing belts; Accessories therefor
    • B24B21/04—Machines or devices using grinding or polishing belts; Accessories therefor for grinding plane surfaces
    • B24B21/12—Machines or devices using grinding or polishing belts; Accessories therefor for grinding plane surfaces involving a contact wheel or roller pressing the belt against the work

Definitions

  • the invention relates to a wide-belt sanding machine with a sanding belt that is guided over a sanding roller and a position-controlled tensioning roller.
  • the invention also relates to an associated method.
  • the sanding belt is stretched over at least two rollers.
  • one of the rollers serves as a grinding roller and the other roller as a tensioning roller.
  • the sanding belt is designed as an endless belt. With the length and width ratios used, it is difficult to center the belt using crowned rollers without additional control. Tape tolerance and elongation make things even more difficult.
  • each of these effects means that the grinding belt can migrate on the rollers in the direction of the axes of rotation of the rollers. There is therefore a need to monitor the position of the grinding belt on the grinding roller and to actively counteract the movement of the grinding belt in the axial direction of the grinding roller.
  • a control is described in which the position of the edge of the grinding belt is detected with a light barrier.
  • a pneumatic actuator is used to control the sanding belt. Due to the control, the adjustment member is continuously actuated, resulting in a continuous oscillation of the grinding belt with a certain hysteresis result. The resulting oscillation marks have a significant impact on the grinding result.
  • DE 11 38 658 A describes a device for adjusting and controlling the running of grinding belts on belt grinding machines.
  • a motor drive controls a pivotable tape roller in such a way that it executes continuous, uniform, forced vibrations about a vibration axis.
  • the frequency and amplitude of the vibrations is adjustable.
  • US 6,126,102 A relates to a device and a method for chemical-mechanical polishing of wafers in semiconductor technology.
  • a rotating wafer is replaced by a linearly moving one Polishing tape polished.
  • Such a polishing belt has a specific texture, which means that a periodic pattern can form on the surface of the wafer, which is undesirable. Therefore, the polishing belt is moved laterally by a sinusoidal or other periodic or non-periodic motion, resulting in smoothing of the polishing pattern on the surface of the wafer.
  • US 6,899,594 B1 also relates to chemical-mechanical polishing (CMP—chemical mechanical polishing) for wafers in the semiconductor industry.
  • CMP chemical-mechanical polishing
  • a rotating wafer is polished by a linearly moving polishing belt.
  • a specific lateral movement pattern eg sinusoidal, rectangular, etc., is applied to the polishing belt in order to smooth out any traces of polishing.
  • the sanding belt is guided over a sanding roller and a tensioning roller.
  • the position of the tension roller can be adjusted by means of an actuator in such a way that the grinding belt assumes a predetermined position on the grinding roller.
  • a position detector e.g. a light barrier.
  • This light barrier includes a beam source and a detector.
  • the edge of the sanding belt is detected with the light barrier using a silhouette method.
  • the detector thus generates a continuous analogue actual signal which is dependent on the position of the grinding belt in relation to the light barrier and therefore also in relation to the position of the grinding belt on the grinding roller.
  • the analog actual signal is supplied to a controller which continuously controls the actuator in such a way that the grinding belt on the grinding roller maintains a predetermined position by changing the position of the tensioning roller.
  • a controller generates an oscillating signal that is fed to the controller as a reference variable.
  • This controller controls the actuator in such a way that the grinding belt changes its lateral position in relation to the light barrier in accordance with the time profile of the reference variable. Accordingly, in conjunction with the advancement of the workpiece under the sanding roll, a command defined sanding pattern results.
  • the controller can generate, for example, a sinusoidal signal, a triangular signal, a trapezoidal signal or a superimposition of these signals as the oscillating signal. Accordingly, a sinusoidal pattern, a triangular pattern, a trapezoidal pattern or a superimposition of these patterns result as a grinding pattern along the workpiece surface. It should be noted that when the control circuit is in a steady state, the disturbance variables, e.g. a random deviation in the movement of the grinding belt, are also corrected and such disturbances no longer occur in the grinding pattern.
  • the disturbance variables e.g. a random deviation in the movement of the grinding belt
  • the oscillating signal generated by the controller can contain periods of time with a constant signal level in its course over time. These are reflected in the sanding pattern as path sections with a constant sanding structure.
  • the controller includes a function generator for generating periodic and non-periodic signals.
  • the controller is designed as a programmable logic controller (PLC).
  • PLC programmable logic controller
  • an optical reflex sensor In addition to the already mentioned fork light barrier, an optical reflex sensor, a mechanical contactor, a capacitive or inductive sensor, an ultrasonic sensor or a compressed air sensor, which works according to the nozzle-flapper principle, can be used as a position detector. It is essential that the position detector used in each case continuously detects the web edge and continuously maps its position in a signal, preferably analog.
  • the actuator is pneumatic and includes at least one bellows cylinder that works against a restoring element. These air actuators do not have a slip-stick effect, which means that the control process is more continuous. Alternatively, a pneumatic muscle cylinder with a similar functional behavior can also be used.
  • the axis of rotation of the tensioning roller can be adjusted in at least one plane. It is particularly advantageous if this plane is selected parallel to the material surface to be ground. As a result, the actuator can be constructed in a particularly simple manner.
  • the controller is a proportional controller.
  • This proportional controller has a particularly simple design and is easy to implement, e.g. in the form of a solenoid valve, which adjusts the pneumatic pressure supplied to the actuator.
  • control loop also has an integral and/or differential behavior.
  • This integral behavior of the control loop improves the control in such a way that the permanent setpoint value deviation typical of a proportional controller is minimized.
  • a differential behavior increases the control speed of the control loop.
  • figure 1 shows a schematic structure of a control circuit 10 for controlling the position of a grinding belt 12.
  • the grinding belt 12 is guided over a tensioning roller 14 and a grinding roller 16.
  • the grinding roller 16 presses the grinding belt 12 onto a workpiece 18 to be ground.
  • the grinding belt 12 is an endless grinding belt with a width of up to about 3 meters. Due to the manufacturing process, such a grinding belt 12 is not entirely uniform, ie the circumference at one belt edge usually differs from the circumference at the other belt edge. Therefore, in the grinding operation, the grinding belt 12 tends to migrate along a rotational axis 20 of the grinding roller 16, in addition to the direction of rotation indicated by the arrow P1. The lateral movement in the direction of the axis of rotation 20 is a disturbance variable. The position of the grinding belt 12 on the grinding roller 16 is monitored with the aid of the control circuit 10 and the disturbing movement is actively counteracted.
  • the light barrier 22 shown monitors the position of the belt edge of the grinding belt 12. Depending on the position of the belt edge, a detector in the light barrier 22 generates a continuous analog actual signal.
  • the analog actual signal is preferably a DC voltage signal, in this exemplary embodiment a voltage between 0 volts and +10 volts.
  • a signal of 0 volts corresponds to a position of the belt edge of the grinding belt 12 at one end of the detection range of the light barrier 22, while a signal of +10 volts means a position of the belt edge of the grinding belt 12 at the other detection limit of the light barrier 22.
  • This analog actual signal is in accordance with figure 1 supplied to a regulator 24, which provides the pneumatic pressure for a pneumatic actuator.
  • the controller 24 can be supplied with an analog desired signal generated by a desired value generator 26 .
  • the desired signal corresponds to a desired position of the grinding belt 12 on the grinding roller 16.
  • the desired position of the grinding belt 12 can be set at the desired value transmitter 26.
  • controller 24 is connected via a switching device 29 to the output of a controller S, which optionally supplies oscillating signals to controller 24 as reference variable w.
  • a sinusoidal signal, a trapezoidal signal and a triangular signal for the controller S are shown as examples of signals.
  • the controller 24 includes a summing element 28 and a proportional controller 30.
  • the summing element 28 is supplied with the desired signal and the actual signal.
  • the formed control deviation between The desired signal and the actual signal are fed to the proportional controller 30, which generates a corresponding control signal.
  • the pneumatic actuator 32 can process this exemplary pneumatic signal.
  • the actuator 32 which comprises a bellows cylinder, for example, changes the position of a rotational axis 34 of the tensioning roller 14 such that the grinding belt 12 maintains the desired position on the grinding roller 16 predetermined by the desired signal.
  • the change in position of the axis of rotation 34 is later in the Figures 3 and 4 described.
  • FIG 2 shows the light barrier 22 as an example of a position detector, which in this embodiment is a forked light barrier into which the grinding belt 12 dips with its side edge.
  • the fork light barrier 22 comprises a large-area light-emitting diode as a beam source 36 and a phototransistor 38 optimized for an emission wavelength of the light-emitting diode 36.
  • the light-emitting diode 36 and detector 38 are optimally aligned with one another on a U-shaped carrier 39.
  • the edge of the grinding belt 12 is guided in such a way that in its desired position on the grinding roller 16 it partially covers a light beam 40 emitted by the light-emitting diode 36 and thus partially shadows the detector 38 .
  • the electrical signal generated by the detector 38 is proportional to the amount of light arriving at the detector 38, which in turn is dependent on the position of the belt edge of the abrasive belt 12. If the abrasive belt 12 obscures the entire light beam 40, the detector 38 will output a 0 volt signal. If the light beam 40 at the detector 38 is not shadowed at all by the grinding belt 12, the detector 38 will output a signal of 10 volts. In the case of partial shadowing of the detector 38 the voltage signal of the detector 38 is proportional to the shading and thus dependent on the position of the grinding belt 12.
  • figure 3 shows a position of the tension roller 14 and the grinding belt 12 when the position of the tension roller 14 is adjusted by the actuator 32.
  • This actuator 32 has changed the position of the axis of rotation 34 of the tension roller 14 such that it assumes the position 14' shown in dashed lines.
  • the tensioning roller 14 is mounted centrally by a tower shaft 46 and can be pivoted about an axis of rotation 15 .
  • the actuator 32 engages the end 44 of the tension roller 14 and pivots this end 44 about the axis of rotation 15, resulting in the positions shown with 44' and 44".
  • Tension roller 14 called.
  • the tower shaft 46 supports the tensioning roller 14 in the middle and can pivot it about the axis of rotation 15 . If the tension roller 14 is cardanically connected to the tower roller 46 (cardanic suspension), it can also be pivoted in a third axis perpendicular to the axis of rotation 15, whereby it is the plane of the paper figure 4 leaves.
  • the tensioning roller 14 can be moved in the direction of the longitudinal axis of the tower shaft 46 in order to be able to tension grinding belts 12 of different lengths and to enable the replacement of grinding belts.
  • the tensioning roller 14 aligns itself by moving about the third axis in such a way that the grinding belt 12 touches the tensioning roller 14 at every point on the tensioning roller 14 .
  • the control circuit 10 ( figure 1 ) controlled via the controller S, which is advantageously designed as a programmable logic controller (PLC).
  • PLC programmable logic controller
  • the signal generated by this controller S is supplied as a reference variable w to the controller 24, which controls the actuator 32 in such a way that the grinding belt 12 changes its lateral position in accordance with the time profile of the reference variable w.
  • a grinding pattern is generated on its surface, which in the steady state of the control circuit 10 closely follows the time profile of the command variable w.
  • the action of the control circuit 10 also eliminates random disturbances that can occur, for example, as a result of the irregularity of the abrasive belt 12.
  • the controller S includes a preferably programmable function generator, with the help of which periodic and non-periodic signals can be generated.
  • the time profile of the signal generated by the controller can contain time segments with a constant signal level.
  • the control circuit 10 causes a constant grinding pattern to be produced along a path on the surface of the workpiece. It is also possible to superimpose different sinusoidal signals, which, depending on the composition of Fourier components, lead to different time profiles of the command variable w, which provides the user with a wide range of grinding patterns for workpiece surfaces.
  • a user can sketch a desired grinding pattern for a desired surface structure.
  • a signal profile for the oscillating signal can then be generated, which belongs to the desired grinding pattern or comes as close as possible to it.
  • This signal curve is supplied to the controller 24 as a reference variable w, whereupon the belt grinding machine generates this target grinding pattern during the grinding process, or generates a pattern which comes as close as possible to this.
  • Another development provides that several grinding patterns and the associated signal curves for the oscillating signal are stored in a memory. A user can then select one of these different grinding patterns.
  • the controller S then feeds the associated signal curve to the controller 24 as a reference variable w, and the wide belt sander controlled in this way produces the sanding pattern on the surface of the workpiece.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Breitbandschleifmaschine mit einem Schleifband, das über eine Schleifwalze und eine lagegeregelte Spannwalze geführt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren.
  • Bei Breitbandschleifmaschinen wird das Schleifband über mindestens zwei Walzen gespannt. Hierbei dient eine der Walzen als Schleifwalze und die andere Walze als Spannwalze. Das Schleifband ist als Endlosband ausgeführt. Bei den verwendeten Längen- und Breitenverhältnissen ist es schwierig, über ballige Rollen ohne zusätzliche Steuerung das Band zu zentrieren. Erschwerend kommen noch Bandtoleranz und Dehnung hinzu.
  • Jeder dieser Effekte führt im Betrieb des Schleifbands dazu, dass das Schleifband auf den Walzen in Richtung der Drehachsen der Walzen wandern kann. Daher besteht die Notwendigkeit, die Position des Schleifbandes auf der Schleifwalze zu überwachen und der Bewegung des Schleifbandes in axialer Richtung der Schleifwalze aktiv entgegenzuwirken.
  • In der DE 33 31 429 A1 ist eine Steuerung beschrieben, bei der die Position des Randes des Schleifbands mit einer Lichtschranke erfasst wird. Ein pneumatisches Verstellorgan wird zur Steuerung des Schleifbandes verwendet. Aufgrund der Steuerung wird das Verstellorgan fortwährend betätigt, was ein fortlaufendes Oszillieren des Schleifbandes mit einer gewissen Hysterese zur Folge hat. Die dadurch entstehenden Oszillationsspuren beeinträchtigen das Schleifergebnis erheblich.
  • Die DE 20 2012 100 928 U1 der Hans Weber Maschinenfabrik beschreibt eine Breitbandschleifmaschine mit einer lagegeregelten Spannwalze. Durch Vorgabe eines konstanten Sollwerts wird das zufällige Oszillieren des Schleifbandes wirkungsvoll unterbunden.
  • DE 10 2007 012 580 A1 , die die Basis für die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 11 bildet, beschreibt ein Verfahren zur Bandführung einer Bandschleifmaschine, bei dem mittels eines Analog-Kantensensors die seitliche Position eines Schleifbandes erfasst wird. Die Signale des Analog-Kantensensors werden einem elektropneumatischen Regler zugeführt, der den-Druck eines pneumatischen Oszillationszylinders regelt, was zu einen nahezu stillstehenden Schleifband führt. Zur Ausführung einer herkömmlichen Oszillationsbewegung kann über eine Steuereinheit auf das Signal des Analog-Kantensensors eingewirkt werden, so dass eine Spannwalze um einen Drehpunkt verschwenkt.
  • DE 11 38 658 A beschreibt eine Einrichtung zum Einregulieren und Steuern des Laufes von Schleifbändern an Bandschleifmaschinen. Ein motorischer Antrieb steuert eine verschwenkbare Bandlaufrolle so, dass sie kontinuierliche gleichförmige erzwungene Schwingungen um eine Schwingachse ausführt. Die Frequenz und Amplitude der Schwingungen ist einstellbar.
  • US 6,126,102 A betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum chemischmechanischen Polieren von Wafern in der Halbleitertechnik. Beim Polierprozess wird ein rotierender Wafer durch ein sich linear vorwärts bewegendes Polierband poliert. Ein solches Polierband hat eine bestimmte Textur, die dazu führt, dass sich auf der Oberfläche des Wafers ein periodisches Muster ausbilden kann, was unerwünscht ist. Daher wird das Polierband in lateraler Richtung durch eine sinusförmige oder andere periodische oder nicht periodische Bewegung bewegt, so dass sich auf der Oberfläche des Wafers eine Glättung des Poliermusters ergibt.
  • US 6,899,594 B1 betrifft ebenfalls ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP - chemical mechanical polishing) für Wafer in der Halbleiterindustrie. Auf ähnliche Weise wie bei dem zuvor erwähnten Dokument wird ein sich drehender Wafer durch ein sich linear bewegendes Polierband poliert. Das Polierband wird mit einem bestimmten lateralen Bewegungsmuster, z.B. Sinusform, Rechteckform, etc., beaufschlagt, um eventuelle Polierspuren zu glätten.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Breitbandschleifmaschine und ein Verfahren anzugeben, die bzw. das ein vorbestimmtes oszillierendes Schleifmuster auf dem Werkstück erzeugt.
  • Diese Aufgabe wird für eine Breitbandschleifmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • In der Breitbandschleifmaschine nach der Erfindung wird das Schleifband über eine Schleifwalze und eine Spannwalze geführt. Die Spannwalze ist mittels eines Stellgliedes in ihrer Lage derart verstellbar, dass das Schleifband auf der Schleifwalze eine vorbestimmte Lage einnimmt. Zum Erfassen der Ist-Lage des Schleifbands auf der Schleifwalze wird die Position einer Kante des Schleifbandes mittels eines Lage-Detektors, z.B. einer Lichtschranke erfasst. Diese Lichtschranke umfasst eine Strahlquelle und einen Detektor. Mit der Lichtschranke wird die Kante des Schleifbandes in einem Schattenrissverfahren erfasst. Somit erzeugt der Detektor ein kontinuierliches analoges Ist-Signal, welches abhängig von der Lage des Schleifbandes in Bezug auf die Lichtschranke und somit auch in Bezug auf die Lage des Schleifbandes auf der Schleifwalze ist. Das analoge Ist-Signal ist einem Regler zugeführt, der das Stellglied kontinuierlich so ansteuert, dass durch Positionsänderung der Spannwalze das Schleifband auf der Schleifwalze eine vorbestimmte Lage einhält.
  • Gemäß der Erfindung erzeugt eine Steuerung ein oszillierendes Signal, das als Führungsgröße dem Regler zugeführt ist. Dieser Regler steuert das Stellglied so an, dass das Schleifband seine seitliche Lage in Bezug auf die Lichtschranke entsprechend dem zeitlichen Verlauf der Führungsgröße ändert. Demgemäß ergibt sich in Verbindung mit der Vorwärtsbewegung des Werkstücks unter der Schleifwalze ein durch die Führungsgröße definiertes Schleifmuster.
  • Die Steuerung kann als oszillierendes Signal beispielsweise ein sinusförmiges Signal, ein dreieckförmiges Signal, ein trapezförmiges Signal oder eine Überlagerung aus diesen Signalen erzeugen. Demgemäß ergeben sich als Schleifmuster entlang der Werkstückoberfläche ein sinusförmiges Muster, ein dreieckförmiges Muster, ein trapezförmiges Muster oder eine Überlagerung aus diesen Mustern. Zu beachten ist, dass im eingeschwungenen Zustand des Regelkreises auch die Störgrößen, z.B. ein zufälliges Auswandern der Bewegung des Schleifbandes, ausgeregelt werden und solche Störungen im Schleifmuster nicht mehr vorkommen.
  • Um ansprechende Schleifmuster zu erzeugen, kann das von der Steuerung erzeugte oszillierende Signal in seinem zeitlichen Verlauf Zeitabschnitte mit konstanter Signalhöhe enthalten. Diese äußern sich im Schleifmuster als Wegabschnitte mit konstanter Schleifstruktur.
  • Gemäß der Erfindung umfasst die Steuerung einen Funktionsgenerator zur Erzeugung periodischer und nicht periodischer Signale.
  • Auf diese Weise kann für die Führungsgröße eine Vielzahl von Signalformen bereitgestellt werden, welche zu einem breiten Spektrum an Schleifmustern führt.
  • Besonders vorteilhaft ist es ferner, dass die Steuerung als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgebildet ist. Eine solche Steuerung hat einen modularen Aufbau und ist in ihrer Anwendung von einer Bedienperson leicht einzustellen, so dass eine hohe Flexibilität bei der Auswahl eines gewünschten Schleifmusters gegeben ist.
  • Als Lage-Detektor kann neben der bereits erwähnten Gabellichtschranke ein optischer Reflexsensor, ein mechanischer Kontaktgeber, ein kapazitiver oder induktiver Sensor, ein Ultraschallsensor oder ein Druckluftsensor, der z.B. nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip arbeitet, eingesetzt werden. Wesentlich ist, dass der jeweils verwendete Lage-Detektor die Bahnkante fortlaufend erfasst und ihre Lage in einem Signal, vorzugsweise analog, kontinuierlich abbildet.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Stellglied pneumatisch und umfasst mindestens einen Balgzylinder, der gegen ein zurückstellendes Element arbeitet. Diese Balgzylinder weisen keinen slip-stick-Effekt auf, wodurch der Regelvorgang kontinuierlicher ist. Alternativ kann auch ein pneumatischer Muskel-Zylinder mit ähnlichem Funktionsverhalten eingesetzt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Bandschleifmaschine ist die Rotationsachse der Spannwalze in mindestens einer Ebene verstellbar. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese Ebene parallel zu der zu schleifenden Werkstoffoberfläche gewählt ist. Dadurch kann das Stellglied besonders einfach aufgebaut werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Regler ein Proportionalregler. Dieser Proportionalregler ist besonders einfach aufgebaut und lässt sich leicht realisieren, z.B. in Form eines Magnetventils, welches den dem Stellglied zugeführten pneumatischen Druck einstellt.
  • In einer anderen Weiterbildung hat der Regelkreis zusätzlich ein integrales und/oder differentielles Verhalten. Dieses integrale Verhalten des Regelkreises verbessert die Regelung dahingehend, dass die für einen Proportionalregler typische dauerhafte Soll-Wert-Abweichung minimiert wird. Ein differentielles Verhalten erhöht die Regelgeschwindigkeit des Regelkreises.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spannwalze mittels einer Turmwelle mittig abgestützt und um die Längsachse der Turmwelle verdrehbar ist. Eine kardanische Aufhängung wird erreicht, wenn die Spannwalze dabei so gelagert ist, dass sie um eine dritte Achse, die senkrecht zur Längsachse der Turmwelle ausgerichtet ist, pendeln kann. Durch diese Aufhängung kann die Spannwalze besonders einfach so ausgerichtet werden, dass ein Schleifband mit unterschiedlichen Umfangslängen die Spannwalze an jeder Stelle berührt. In einer anderen Weiterbildung der Breitbandschleifmaschine wird die Schleifwalze durch motorische Mittel angetrieben. Dies verbessert die Regelung dahingehend, dass die Masse des Antriebs nicht mit der Spannwalze vom Stellglied bewegt werden muss. Dadurch kann das Stellglied einfacher aufgebaut sein.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren, gemäß dem Anspruch 11, zum Erzeugen vorbestimmter Schleifmuster auf der Oberfläche eines Werkstücks angegeben. Die mit dem Verfahren erreichbaren technischen Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit der Einrichtung beschrieben.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Darin zeigen
    • Figur 1
    einen schematischen Aufbau eines Regelkreises zur Lageregelung eines Schleifbandes,
    Figur 2
    einen schematischen Aufbau eines Detektors,
    Figur 3
    eine Lage von Spannwalze und Schleifband nach Figur 1 bei einer Verstellung durch den Regler, und
    Figur 4
    mögliche Lagen der Spannwalze nach Figur 3 entsprechend dem Ausschnitt A-A.
  • Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines Regelkreises 10 zur Lageregelung eines Schleifbandes 12. Das Schleifband 12 ist über eine Spannwalze 14 und eine Schleifwalze 16 geführt. Die Schleifwalze 16 drückt dabei das Schleifband 12 auf ein zu schleifendes Werkstück 18.
  • Das Schleifband 12 ist ein Endlosschleifband mit einer Breite von bis zu ca. 3 Metern. Herstellungsbedingt ist ein derartiges Schleifband 12 nicht ganz gleichmäßig, d.h. der Umfang an der einen Bandkante unterscheidet sich üblicherweise vom Umfang an der anderen Bandkante. Daher neigt das Schleifband 12 im Schleifbetrieb dazu, zusätzlich zu der durch den Pfeil P1 angedeuteten Umlaufrichtung entlang einer Rotationsachse 20 der Schleifwalze 16 vorgegebenen Richtung auszuwandern. Die seitliche Bewegung in Richtung der Rotationsachse 20 ist eine Störgröße. Mit Hilfe des Regelkreises 10 wird die Lage des Schleifbandes 12 auf der Schleifwalze 16 überwacht und der Störbewegung aktiv entgegengewirkt.
  • Eine in Figur 2 dargestellte Lichtschranke 22 überwacht die Lage der Bandkante des Schleifbandes 12. Abhängig von der Lage der Bandkante erzeugt ein Detektor in der Lichtschranke 22 ein kontinuierliches analoges Ist-Signal. Vorzugsweise ist das analoge Ist-Signal ein Gleichspannungssignal, in diesem Ausführungsbeispiel eine Spannung zwischen 0 Volt und +10 Volt. Dabei entspricht ein Signal von 0 Volt einer Lage der Bandkante des Schleifbandes 12 an einem Ende des Erfassungsbereichs der Lichtschranke 22, während ein Signal von +10 Volt einer Lage der Bandkante des Schleifbandes 12 an der anderen Erfassungsgrenze der Lichtschranke 22 bedeutet.
  • Dieses analoge Ist-Signal ist gemäß Figur 1 einem Regler 24 zugeführt, welcher den pneumatischen Druck für ein pneumatisches Stellglied bereitstellt. Weiterhin kann dem Regler 24 in einer Variante ein durch einen Soll-Wert-Geber 26 erzeugtes analoges Soll-Signal zugeführt sein. Das Soll-Signal entspricht einer Soll-Position des Schleifbandes 12 auf der Schleifwalze 16. Am Soll-Wert-Geber 26 ist die Soll-Position des Schleifbandes 12 einstellbar.
  • Besonders vorteilhaft ist, wenn anstelle des Soll-Wert-Gebers 26 über eine Schalteinrichtung 29 der Eingang des Reglers 24 mit dem Ausgang einer Steuerung S verbunden ist, die als Führungsgröße w wahlweise oszillierende Signale dem Regler 24 zuführt. Beispielhaft sind als Signale ein sinusförmiges Signal, ein trapezförmiges Signal und ein dreiecksförmiges Signal für die Steuerung S dargestellt.
  • In einer allgemeinen Ausführungsform umfasst der Regler 24 ein Summierglied 28 sowie einen Proportionalregler 30. Dem Summierglied 28 werden Soll-Signal und Ist-Signal zugeführt. Die gebildete Regelabweichung zwischen Soll-Signal und Ist-Signal wird dem Proportionalregler 30 zugeführt, welcher ein entsprechendes Steuersignal erzeugt. Dieses beispielhafte pneumatische Signal kann das pneumatische Stellglied 32 verarbeiten.
  • Das Stellglied 32, das z.B. einen Balgzylinder umfasst, verändert die Lage einer Rotationsachse 34 der Spannwalze 14 dahingehend, dass das Schleifband 12 die durch das Soll-Signal vorbestimmte Soll-Position auf der Schleifwalze 16 einhält. Die Lageänderung der Rotationsachse 34 wird später in den Figuren 3 und 4 beschrieben.
  • Figur 2 zeigt als Beispiel für einen Lage-Detektor die Lichtschranke 22, die in dieser Ausführungsform eine Gabellichtschranke ist, in die das Schleifband 12 mit seiner Seitenkante eintaucht. Die Gabellichtschranke 22 umfasst als Strahlquelle 36 eine großflächige Leuchtdiode und einen für eine Emissionswellenlänge der Leuchtdiode 36 optimierten Fototransistor 38. In der Gabellichtschranke 22 sind Leuchtdiode 36 und Detektor 38 auf einem U-förmigen Träger 39 optimal zueinander ausgerichtet. Die Kante des Schleifbandes 12 ist so geführt, dass sie in ihrer Soll-Lage auf der Schleifwalze 16 einen von der Leuchtdiode 36 ausgesandten Lichtstrahl 40 teilweise verdeckt und somit den Detektor 38 teilweise abschattet. Das vom Detektor 38 erzeugte elektrische Signal ist proportional zu der am Detektor 38 eintreffenden Lichtmenge, welche wiederum von der Lage der Bandkante des Schleifbandes 12 abhängig ist. Verdeckt das Schleifband 12 den ganzen Lichtstrahl 40, so wird der Detektor 38 ein Signal von 0 Volt ausgeben. Wird der Lichtstrahl 40 am Detektor 38 vom Schleifband 12 überhaupt nicht abgeschattet, so wird der Detektor 38 ein Signal von 10 Volt ausgeben. Bei einer Teilabschattung des Detektors 38 ist das Spannungssignal des Detektors 38 proportional zur Abschattung und somit abhängig von der Lage des Schleifbandes 12.
  • Figur 3 zeigt eine Lage der Spannwalze 14 und des Schleifbandes 12 bei einer Verstellung der Lage der Spannwalze 14 durch das Stellglied 32. Dieses Stellglied 32 hat die Lage der Rotationsachse 34 der Spannwalze 14 derart verändert, so dass sie die gestrichelt dargestellte Position 14' einnimmt.
  • Wie aus Figur 4 hervorgeht, ist die Spannwalze 14 mittig durch eine Turmwelle 46 gelagert und kann um eine Drehachse 15 verschwenkt werden. Das Stellglied 32 greift am Ende 44 der Spannwalze 14 an und verschwenkt dieses Ende 44 um die Drehachse 15, so dass sich die mit 44' und 44" gezeigten Lagen ergeben. Mit den Bezugszeichen 42, 42' und 42" sind die gegenüberliegenden Enden der Spannwalze 14 bezeichnet.
  • Die Turmwelle 46 stützt die Spannwalze 14 mittig und kann diese um die Drehachse 15 verschwenken. Wenn die Spannwalze 14 kardanisch mit der Turmwalze 46 verbunden ist (kardanische Aufhängung), so kann sie auch in einer dritten Achse senkrecht zur Drehachse 15 verschwenkt werden, wobei sie die Papierebene der Figur 4 verlässt.
  • Die Spannwalze 14 ist in Richtung der Längsachse der Turmwelle 46 bewegbar, um unterschiedlich lange Schleifbänder 12 spannen zu können und das Auswechseln von Schleifbändern zu ermöglichen. Dabei richtet sich die Spannwalze 14 durch eine Bewegung um die dritte Achse so aus, dass das Schleifband 12 die Spannrolle 14 an jeder Stelle der Spannwalze 14 berührt.
  • Zum Erzeugen eines gewünschten Schleifmusters auf der Oberfläche des Werkstücks 18 wird der Regelkreis 10 (Figur 1) über die Steuerung S angesteuert, die vorteilhafterweise als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgebildet ist. Das von dieser Steuerung S erzeugte Signal wird als Führungsgröße w dem Regler 24 zugeführt, der das Stellglied 32 so ansteuert, dass das Schleifband 12 seine seitliche Lage entsprechend dem zeitlichen Verlauf der Führungsgröße w ändert. Infolge der konstanten Vorwärtsbewegung des Werkstücks 18 wird auf seiner Oberfläche ein Schleifmuster erzeugt, welches im eingeschwungenen Zustand des Regelkreises 10 in großer Annäherung dem zeitlichen Verlauf der Führungsgröße w folgt. Durch die Wirkung des Regelkreises 10 werden auch zufällige Störungen ausgeregelt, die beispielsweise infolge der Ungleichmäßigkeit des Schleifbandes 12 auftreten können.
  • Vorteilhaft ist es, wenn die Steuerung S einen vorzugsweise programmierbaren Funktionsgenerator umfasst, mit dessen Hilfe periodische und nicht periodische Signale erzeugt werden können. Beispielsweise kann das von der Steuerung erzeugte Signal in seinem zeitlichen Verlauf Zeitabschnitte mit kontanter Signalhöhe enthalten. Hierbei bewirkt der Regelkreis 10, dass ein konstantes Schleifmuster entlang eines Weges auf der Oberfläche des Werkstücks erzeugt wird. Auch eine Überlagerung verschiedener sinusförmiger Signale ist möglich, die entsprechend der Zusammensetzung von Fourier-Komponenten zu unterschiedlichen zeitlichen Verläufen der Führungsgröße w führen, wodurch für den Anwender ein breites Spektrum an Schleifmustern für Oberflächen von Werkstücken bereitgestellt wird.
  • Es ist auch möglich, dass ein Anwender für eine gewünschte Oberflächenstruktur ein Soll-Schleifmuster skizziert. Mit Hilfe der Steuerung S und des programmierbaren Funktionsgenerators kann dann ein Signalverlauf für das oszillierende Signal generiert werden, welches zu dem Soll-Schleifmuster gehört oder diesem möglichst nahe kommt. Dieser Signalverlauf wird dem Regler 24 als Führungsgröße w zugeführt, woraufhin die Bandschleifmaschine bei der schleifenden Bearbeitung dieses Soll-Schleifmuster erzeugt bzw. ein Muster erzeugt, welches diesem möglichst nahe kommt.
  • Eine andere Weiterbildung sieht vor, dass mehrere Schleifmuster und die zugehörigen Signalverläufe für das oszillierende Signal in einem Speicher gespeichert werden. Ein Anwender kann dann aus diesen verschiedenen Schleifmustern eines auswählen. Die Steuerung S führt dann den zugehörigen Signalverlauf dem Regler 24 als Führungsgröße w zu und die so angesteuerte Breitbandschleifmaschine erzeugt das Schleifmuster auf der Oberfläche des Werkstücks.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Regelkreis
    12, 12'
    Schleifband
    14, 14', 14"
    Spannwalze
    15
    Drehachse
    16
    Schleifwalze
    18
    Werkstück
    20
    Rotationsachse
    22
    Lichtschranke
    24
    Regler
    26
    Sollwertgeber
    28
    Summierglied
    29
    Schaltelement
    30
    Proportionalregler
    32
    Stellglied
    34, 34', 34"
    Rotationsachse
    36
    Leuchtdiode
    38
    Fototransistor
    39
    Träger
    40
    Lichtstrahl
    42, 42', 42"
    Ende der Spannwalze
    44; 44', 44"
    Ende der Spannwalze
    46
    Turmwelle
    P1
    Pfeil
    S
    Steuerung
    w
    Führungsgröße

Claims (11)

  1. Breitbandschleifmaschine mit einem Schleifband (12), das über eine Schleifwalze (16) und eine Spannwalze (14) geführt ist,
    wobei die Spannwalze (14) mittels eines Stellgliedes (32) in ihrer Lage derart verstellbar ist, dass das Schleifband (12) auf der Schleifwalze (16) eine vorbestimmte Lage einnimmt,
    die Lage einer Kante des Schleifbandes (12) durch einen Lage-Detektor (22) erfasst wird,
    der Lage-Detektor (22) dazu eingerichtet ist, ein kontinuierliches Ist-Signal abhängig von der Lage des Schleifbandes (12) zu erzeugen,
    wobei die Breitbandschleifmaschine dazu eingerichtet ist, das Ist-Signal einem Regler (24) zuzuführen, der das Stellglied (32) kontinuierlich so ansteuert, dass das Schleifband (12) auf der Schleifwalze (16) eine vorbestimmte Lage einhält, dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Steuerung (S) dazu eingerichtet ist, ein oszillierendes Signal zu erzeugen, das als Führungsgröße (w) dem Regler (24) eines Regelkreises (10) zugeführt wird, und dass der Regler (24) dazu eingerichtet ist, das Stellglied (32) so anzusteuernt, dass das Schleifband (12) seine Lage entsprechend dem zeitlichen Verlauf der Führungsgröße (w) ändert, um ein vorgegebenes Schleifmuster auf einer Oberfläche eines konstant vorwärtsbewegten Werkstücks (18) zu erzeugen,
    wobei das Werkstück (18) unter der Schleifwalze (16) bewegt wird und die Schleifwalze (16) das Schleifband (12) auf das zu schleifende Werkstück (18) drückt,
    wobei infolge einer konstanten Vorwärtsbewegung des Werkstücks (18) auf seiner Oberfläche ein Schleifmuster erzeugt wird, welches im eingeschwungenen Zustand des Regelkreises (10) in großer Annäherung dem zeitlichen Verlauf der Führungsgröße (w) folgt,
    wobei die Steuerung (S) einen programmierbaren Funktionsgenerator umfasst, der dazu eingerichtet ist, periodische und nicht periodische Signale zu erzeugen, die das oszillierende Signal als Führungsgröße (w) bilden,
    und wobei mehrere Schleifmuster und die zugehörigen Signalverläufe für das oszillierende Signal in einem Speicher gespeichert sind und die Steuerung (S) bei Auswahl eines der Schleifmuster den zugehörigen Signalverlauf dem Regler (24) als Führungsgröße (w) zuführt.
  2. Breitbandschleifmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lage-Detektor als Lichtschranke (22), als optischer Reflexsensor, als mechanischer Kontaktgeber, als kapazitiver oder induktiver Sensor, als Ultraschallsensor oder als Druckluftsensor ausgebildet ist.
  3. Breitbandschleifmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellglied ein pneumatisches Stellglied (32) oder ein motorisches Stellglied vorgesehen ist.
  4. Breitbandschleifmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (32) mindestens einen Balgzylinder umfasst.
  5. Breitbandschleifmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (34) der Spannwalze (14) in mindestens einer Ebene verstellbar ist.
  6. Breitbandschleifmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (24) einen Proportionalregler (30) umfasst.
  7. Breitbandschleifmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis (10) ein integrales und/oder differenzierendes Verhalten hat.
  8. Breitbandschleifmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannwalze (14) kardanisch aufgehängt ist.
  9. Breitbandschleifmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (S) als oszillierendes Signal ein sinusförmiges Signal, ein dreieckförmiges Signal, ein trapezförmiges Signal oder eine Überlagerung aus diesen Signalen erzeugt.
  10. Breitbandschleifmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oszillierende Signal in seinem zeitlichen Verlauf Zeitabschnitte konstanter Signalhöhe enthält.
  11. Verfahren zum Schleifen der Oberfläche eines Werkstücks mit einer Breitbandschleifmaschine, umfassend ein Schleifband (12), das über eine Schleifwalze (16) und eine Spannwalze (14) geführt wird,
    bei dem die Spannwalze (14) mittels eines Stellgliedes (32) in ihrer Lage derart verstellbar wird, dass das Schleifband (12) auf der Schleifwalze (16) eine vorbestimmte Lage einnimmt,
    die Lage einer Kante des Schleifbandes (12) durch einen Lage-Detektor (22) erfasst wird,
    der Lage-Detektor (22) ein kontinuierliches Ist-Signal abhängig von der Lage des Schleifbandes (12) erzeugt,
    und bei dem das Ist-Signal einem Regler (24) zugeführt ist, der das Stellglied (32) kontinuierlich so ansteuert, dass das Schleifband (12) auf der Schleifwalze (16) eine vorbestimmte Lage einhält, dadurch gekennzeichnet,
    dass durch eine Steuerung (S) ein oszillierendes Signal erzeugt wird, das als Führungsgröße (w) dem Regler (24) eines Regelkreises (10) zugeführt wird,
    dass der Regler (24) das Stellglied (32) so ansteuert, dass das Schleifband (12) seine Lage entsprechend dem zeitlichen Verlauf der Führungsgröße (w) ändert, um ein vorgegebenes Schleifmuster (S) auf einer Oberfläche eines konstant vorwärtsbewegten Werkstücks (18) zu erzeugen,
    wobei das Werkstück (18) unter der Schleifwalze (16) bewegt wird und die Schleifwalze (16) das Schleifband (12) auf das zu schleifende Werkstück (18) drückt,
    wobei infolge einer konstanten Vorwärtsbewegung des Werkstücks (18) auf seiner Oberfläche ein Schleifmuster erzeugt wird, welches im eingeschwungenen Zustand des Regelkreises (10) in großer Annäherung dem zeitlichen Verlauf der Führungsgröße (w) folgt,
    wobei die Steuerung (S) einen programmierbaren Funktionsgenerator zur Erzeugung periodischer und nicht periodischer Signale umfasst, die das oszillierende Signal als Führungsgröße (w) bilden,
    und wobei mehrere Schleifmuster und die zugehörigen Signalverläufe für das oszillierende Signal in einem Speicher gespeichert sind und die Steuerung (S) bei Auswahl eines der Schleifmuster den zugehörigen Signalverlauf dem Regler (24) als Führungsgröße (w) zuführt.
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