TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung eines Werkstücks, das eine Verzahnung aufweist, umfassend: eine Spindel zur Anordnung des zu bearbeitenden Werkstücks an der Spindel; einen Antrieb zur Erzeugung einer Rotation der Spindel; und eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks relativ zur Spindel, wobei die Messeinrichtung wenigstens einen im Bereich der Verzahnung des Werkstücks angeordneten Sensor zur Erfassung von Messdaten aufweist.
Ausserdem betrifft die Anmeldung ein Verfahren zur Feinbearbeitung eines Werkstücks, das eine Verzahnung aufweist, insbesondere mittels einer Vorrichtung wie oben beschrieben, umfassend die Schritte: a) Anordnen des Werkstücks an einer Spindel; b) Antreiben der Spindel zur Erzeugung einer Rotation des Werkstücks; c) Erfassung von Messwerten in Bezug auf die Verzahnung des Werkstücks im Bereich der Verzahnung des rotierenden Werkstücks mittels wenigstens eines Sensors; und d) Ermittlung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks relativ zur Spindel.
STAND DER TECHNIK
[0002] Bei der Herstellung von Zahnrädern mit hohen Anforderungen an die Laufqualität wird die Oberfläche der Zahnflanken eines vorverzahnten Werkstücks (Zahnrads) einer Feinbearbeitung mit Hilfe eines Feinbearbeitungswerkzeugs unterzogen. Beispielsweise werden die Zahnflanken des Werkstücks mit einem Hon- oder Schleifwerkzeug bearbeitet. Dabei wird das vorverzahnte Werkstück zunächst an einer Bearbeitungsspindel angeordnet.
[0003] Vor Beginn der Bearbeitung ist es erforderlich, die Winkellage des zu bearbeitenden Werkstücks relativ zur Bearbeitungsspindel festzustellen, um bei der Bearbeitung einen möglichst mittigen Eingriff des Honwerkzeuges in die Zahnlücken des vorverzahnten Werkstücks sicherzustellen. Dazu wird das Zahnrad in Drehung versetzt und mit Hilfe einer Messsonde (Einzentriersonde) die Winkellage der Verzahnung des Werkstücks relativ zur Spindel erfasst, so dass diese mit der Lage der Eingriffsmittel des Honwerkzeuges abgeglichen werden kann. Der Sensor kann beispielsweise ein induktiver Näherungsschalter sein, der das sich drehende Zahnrad radial abtastet. So wird die relative Winkellage bestimmt.
[0004] Da die Feinbearbeitung der Zahnflanken des Zahnrades hohe Präzision erfordert, ist eine Vielzahl von Messpunkten wünschenswert. Ausserdem ist der Zeitaufwand für die Bestimmung der Winkellage erheblich und wirkt sich negativ auf den Durchsatz der Feinbearbeitungsmaschine aus.
[0005] Wird zusätzlich mit Hilfe desselben Sensors (oder eines anderen Sensors) eine Verzahnungsprüfung oder Verzahnungsvermessung durchgeführt, bei denen die einzelnen Zähne über die gesamte Zahnradbreite vermessen werden müssen, muss ein noch grösserer Zeitaufwand in Kauf genommen werden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
[0006] Ausgehend davon besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Feinbearbeitungsmaschine mit einer präzise funktionierenden Zahnradpositionierung und ein Verfahren zu deren Betrieb bereitzustellen, mit deren Hilfe der Durchsatz der Feinbearbeitung erhöht werden kann.
TECHNISCHE LÖSUNG
[0007] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung gemäss dem Anspruch 1 und ein Verfahren zur Feinbearbeitung gemäss dem Anspruch 6. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
[0008] Eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Feinbearbeitung eines Werkstücks, das eine Verzahnung aufweist, umfasst: eine Spindel zur Anordnung des zu bearbeitenden Werkstücks an der Spindel; einen Antrieb zur Erzeugung einer Rotation der Spindel; und eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks relativ zur Spindel, wobei die Messeinrichtung wenigstens einen im Bereich der Verzahnung des Werkstücks angeordneten Sensor zur Erfassung von Messdaten aufweist. Der Sensor ist derart innerhalb der Vorrichtung angeordnet, dass Messdaten betreffend Parameter der Verzahnung des Werkstücks in einer Bearbeitungsposition des Werkstücks erfassbar sind.
[0009] Das Zahnraderkennungssystem setzt sich prinzipiell wenigstens aus einem Sensor und einer Auswerteelektronik zusammen. Mit Hilfe des Sensors können die Verzahnung des Werkstücks oder auch eines Abrichtzahnrads, z.B. eines Diamant-Abrichtzahnrads, abgetastet werden. Der Sensor mit einer entsprechenden Auswerteelektronik ist abgekoppelt von Steuerungen der Präzisionsbearbeitungsmaschine konzipiert bzw. arbeitet unabhängig von diesen, um eine möglichst schnelle Lagebestimmung, im optimalen Fall annähernd eine Echtzeitbestimmung, durchzuführen.
[0010] Um ein System mit einem bestimmten Sensor für Messungen an unterschiedlichen Zahnrädern bzw. für das Abrichtzahnrad verwenden zu können, sollte der Sensor möglichst wenig sensitiv auf Abstandsänderungen reagieren. Dies bedeutet, dass Sensoren mit grossen Messbereichen und Toleranzen bevorzugt sind. Die Sensoren sollten möglichst universell für verschiedene Verzahnungen eingesetzt werden können. Vorteilhaft ist ausserdem das Vorsehen einer zusätzlichen Positionierachse, wodurch der Messbereich des Sensors deutlich erweitert werden kann.
[0011] Um Beschädigungen des Sensors nach dem Erfassen der Winkellage, z.B. während der Bearbeitung des Werkstücks, zu vermeiden, kann der Sensor bewegbar angeordnet sein, so dass er nach seinem Einsatz aus einem potentiellen Gefahrenbereich zurückgezogen werden kann, um Beschädigungen zu vermeiden.
[0012] Die Bearbeitungsposition im Sinne der Anmeldung ist eine Position, in der die Feinbearbeitung durchgeführt wird oder zumindest durchgeführt werden kann, also insbesondere eine Position, in der die Verzahnung des Werkstücks bereits mit dem Werkzeug in Eingriff steht. In diesem Fall müssen das Werkzeug und das Werkstück bzw. das Abrichtzahnrad synchron laufen. Das Werkstück bzw. Abrichtzahnrad kann sich jedoch auch in der Bearbeitungsposition ausser Eingriff mit dem Werkzeug befinden. In diesem Fall müssen das Werkzeug und das Werkstück bzw. das Abrichtzahnrad nicht synchron laufen. Die Bearbeitungsposition ist dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug und das Werkstück bzw. Abrichtzahnrad durch eine (geringfügige) relative Bewegung in Eingriff gebracht werden können.
Insbesondere kann das Werkzeug, z.B. ein Honring, zur Spindel hin bewegt werden (beispielsweise durch eine translatorische Bewegung und/oder ein Verschwenken), um den Eingriff herzustellen. In der Bearbeitungsposition wird der Antrieb der Spindel unmittelbar vor einem Eingriff des Werkstücks mit dem Werkzeug hochgefahren und das Werkstück in Rotation versetzt. Während des Hochfahrens wird drehzahlunabhängig der Winkelversatz (Differenz zwischen Ist-und Sollposition) des Werkstücks relativ zur Spindel bestimmt, bevor sich das mit einer vordefinierten Geschwindigkeit drehende Werkstück mit dem Werkzeug in Eingriff gebracht wird.
[0013] Vorzugsweise weist die Vorrichtung wenigstens ein Bearbeitungswerkzeug auf, das in der Bearbeitungsposition des Werkstücks mit der Verzahnung des Werkstücks in Eingriff steht. Das Bearbeitungswerkzeug ist insbesondere ein Honwerkzeug bzw. ein Honring, ein Schleifwerkzeug, etc.. Es ist in der Regel so bewegbar, dass es in und ausser Eingriff mit einem oder mehreren Werkstücken bringbar ist.
[0014] In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Messeinrichtung wenigstens eine Lageerfassungseinrichtung zur Ermittlung der Winkellage der Verzahnung des Werkstücks in Abhängigkeit von den erfassten Messdaten auf. Die Lageerfassungseinrichtung kann eine entsprechende Karte bzw. Schaltung sein, die, im Wesentlichen unabhängig von Steuereinrichtungen der Feinbearbeitungsmaschine, z.B. der Honmaschine, arbeitet.
[0015] In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor als digital schaltender Sensor ausgebildet sein.
[0016] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der Sensor als analoger Sensor ausgebildet sein. Der Sensor kann beispielsweise ein analoger Abstandssensor mit hoher Bandbreite sein, der etwa nach dem induktiven Prinzip arbeitet. Die Ansprechzeit des Sensors sollte gering sein. Insbesondere beim Einsatz analoger Sensoren können Wirbelstromsensoren eingesetzt werden, um eine grosse Bandbreite zu erzielen.
[0017] Da Analogsensoren auf Abstandsänderungen ansprechen, können beim Zahneingriff auch Crashs detektiert und entsprechende Schutzmassnahmen eingeleitet werden. Mit Hilfe analoger Sensoren kann die Masshaltigkeit überwacht werden. Ebenso ist bei Verwendung hochsensibler Sensoren eine indirekte Kraftmessung denkbar.
[0018] Analoge Sensoren weisen ausserdem keine Hysterese (wegen Schmitt-Trigger) auf und erzeugen somit keinen Zeit- bzw. Positionsversatz. Da der Sensor absolute oder relative Abstandsänderungen des Messobjekts erfassen kann, ist eine Abstandseinstellung des Sensors relativ zum Zahnkopf möglich. Der Sensor kann sich selbst zentrieren bzw. fokussieren. Bei der relativen Abstandsmessung steht die Amplitude des Messsignals im Zusammenhang mit dem Messabstand, womit wieder auf den Abstand zurückgeschlossen werden kann. Dadurch wird auch die Möglichkeit gegeben, den Abstand des Sensors zum Werkstück automatisch, evtl. mit Hilfe eines Lernprozesses, einzustellen. Er ist, im besten Fall ohne jede Umrüstung, für unterschiedlich ausgebildete Zahnräder bzw. Abrichtzahnräder einsetzbar.
[0019] Ein erfindungsgemässes Verfahren zur Feinbearbeitung eines Werkstücks bzw. zur Bearbeitung eines Werkzeugs, das eine Verzahnung aufweist, insbesondere mittels einer Vorrichtung wie oben beschrieben, umfasst die Schritte: a) Anordnen des Werkstücks bzw. eines Abrichtzahnrads an einer Spindel; b) Antreiben der Spindel zur Erzeugung einer Rotation des Werkstücks bzw. des Abrichtzahnrads; c) Erfassung von Messwerten in Bezug auf die Verzahnung des Werkstücks bzw. des Abrichtzahnrads im Bereich der Verzahnung des rotierenden Werkstücks bzw. des Abrichtzahnrads mittels wenigstens eines Sensors; und d) Ermittlung der Winkellage und/oder der Verzahnungsqualität der Verzahnung des Werkstücks bzw. des Abrichtzahnrads relativ zur Spindel. Die Messwerte werden wenigstens in einem Zeitraum beim Hochlaufen oder nach dem Hochlaufen der Spindel im Verfahrensschritt b) erfasst.
Die Messung der Winkellage im Rahmen der Erfindung erfolgt drehzahlunabhängig.
[0020] Die Messwerte können somit während des Hochlaufens auf die bestimmungsgemässe Bearbeitungsdrehzahl der Spindel oder auf eine Zwischendrehzahl oder nach dem Hochlaufen, z.B. während der Bearbeitung des Werkstücks, erfasst werden. Die Erfassung kann jedoch auch beim Verzögern der Spindel erfolgen. Durch die Messung während des Hochlaufens/Verzögerns der Spindel oder während der Bearbeitung wird die Bearbeitungszeit insgesamt verkürzt.
[0021] Die Winkellage wird in der Regel beim Hochlaufen bestimmt. Während der Bearbeitung, also im Eingriff mit dem Werkzeug, können vom selben Sensor die Winkellage überwacht werden (z.B. zur Detektion des Rutschens eines Teils auf dem Spanndorn). Zudem kann mittels des Sensors die Überwachung der Verzahnungsqualität (beispielsweise von Merkmalen wie Werkstückgrösse, kinematischer Übertragungs- bzw. Summenteilungsfehler, Rundlauffehler etc.) übernommen werden.
[0022] In den Verfahrensschritten a) bis d) ist das Werkstück vorzugsweise bereits in einer Bearbeitungsposition angeordnet, allerdings noch ausser Eingriff mit dem Bearbeitungswerkzeug. Durch eine relative Bewegung zwischen dem Werkzeug und Werkstück bzw. Abrichtzahnrad wird das Werkstück mit dem Bearbeitungswerkzeug in Eingriff gebracht, insbesondere durch eine Bewegung des Werkzeugs.
[0023] In einer alternativen Ausführungsform kann neben der Bearbeitungsposition eine Bestückungs- oder Messposition vorgesehen sein. Die Bestückungs- oder Messposition ist auf einer dem Prozess abgewandten Seite innerhalb der Vorrichtung angeordnet. In dieser Position oder beim Übergang in die Bearbeitungsposition kann erfindungsgemäss ebenfalls eine Messung der Winkellage während des Hochfahrens des Spindelantriebs erfolgen. Nach dem Hochfahren wird das Werkstück in die Bearbeitungsposition bewegt und, nach der Winkelkorrektur, in Eingriff mit dem Werkzeug gebracht. Wichtig ist, dass auch in diesem Fall die Spindel die für das In-Eingriff-Bringen bzw. die Bearbeitung benötigte Geschwindigkeit beim Hochfahren und somit während der Messung des Winkelversatzes erreicht.
Bei einer Honmaschine können sämtliche der genannten Positionen im Bereich innerhalb des Honrings angeordnet sein.
[0024] Prinzipiell kann eine Messung auch nach der Bearbeitung, z.B. beim Herunterfahren des Spindelantriebs, gemessen werden.
[0025] Um eine Bestückung und Messung an einem Werkstück während der Bearbeitung eines anderen Werkstücks zu ermöglichen, sind in diesem Fall wenigstens zwei bewegbare Spindeln vorgesehen, die abwechselnd in die Bearbeitungs- und in die Bestückungsposition gebracht werden. Dies kann mittels einer Drehvorrichtung bewerkstelligt werden. Die Messung während des Hochfahrens einer Spindel kann in einer der beiden Positionen oder auch beim Übergang von einer in die andere Position erfolgen.
[0026] Im Stand der Technik wird das Auslesen der Winkellage des Werkstücks softwaretechnisch gelöst. Der Zeitpunkt, zu dem die Winkellage ausgelesen wird, unterliegt einer zeitlichen Schwankung, die den Ausleseprozess verlängert. Zudem ist die Auswertung meist in Steuerangen integriert, wodurch ein Auslesen der Messwerte erheblich verzögert wird. Dagegen wird das Auslesen in der vorliegenden Erfindung durch eine gemeinsame Clock und/oder durch hardwaregetriggertes Auslesen bewerkstelligt. Das Auslesen erfolgt separat und unabhängig von sonstigen Steuerungsfunktionen der Bearbeitungsmaschine.
[0027] Insbesondere werden die Messwerte vom Sensor als digitale Werte ausgegeben.
[0028] Insbesondere können die vom Sensor ausgegebenen digitalen Messwerte, z.B. Rechtecksignale, als Clock-Signale für die Lageerfassungsseinrichtung verwendet werden. Bei dem Aufbau erfolgt das Auslesen der Winkellage hardwaregetriggert. Der Signaljitter wird so minimiert. So kann die Rechteckimpulsfolge als Triggersignal für das Auswerten der Lagesignale des Lagemesssystems auf der Spindel dienen Die Rechteckimpulsfolge dient als Hardware-Trigger für die Lagemesswerterfassung.
[0029] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Messwerte durch den Sensor als analoge Messwerte ausgegeben. Aus dem analogen Signal können noch zusätzliche Grössen ermittelt werden, beispielsweise der Abstand des Zahnrades zum Sensor, Verzahnungsfehler, etc.
[0030] Da die Auswertung mittels Software erfolgt, ist der Messbereich analoger Sensoren gross. Die Auswertung der analogen Messwerte über gepufferte Werte ist vorteilhaft, da beispielsweise Schaltschwellen nachträglich angepasst und Zeitverzüge herausgerechnet werden können. Die gesamte Auswertung kann an die Messsituation angepasst werden. Die Auswertung analoger Messwerte erfolgt im hohen kHz. bzw. im MHz-Bereich, in einem Zeitraster von wenigen Nanosekunden, so dass der Zeitverzug zwischen der Messung und der Bestimmung des Winkelversatzes äusserst gering ist. Die Auswertung kann auch zeitgleich mit der Messung erfolgen.
[0031] Bei der Bewegung eines bestimmten Zahns der Verzahnung des Werkstücks relativ zum Sensor werden insbesondere wenigstens zwei oder mehrere Messwerte erfasst. Dadurch kann eine Bewegung des Zahns relativ zum Sensor exakt erfasst werden.
[0032] Um dennoch eine maximale Geschwindigkeit bei der Ermittlung der Winkellage zu erreichen, kann ein Datenpuffer bereit gestellt werden, in den die Daten vor ihrer Auswertung geschrieben werden.
[0033] Die Auswerteelektronik ist zur schnellen Ermittlung der Winkellage des Werkstücks relativ zur Spindel ausgelegt. Abgesehen davon können aus den gemessenen Daten zusätzliche Werte ermittelt werden, beispielsweise zur Qualitätskontrolle der Verzahnung. So kann bei einer Verzahnungsprüfung die Verzahnungsgeometrie über die gesamte Zahnradbreite mit einem analogen Abstandssensor überprüft werden, der während der Messung axial (im Bezug auf die Drehachse der Spindel) verschoben wird. Die Messdaten werden mit vorgegebenen Solldaten verglichen.
[0034] Bei der Vermessung der Verzahnungsgeometrie über die gesamte Zahnradbreite kann auch ein Zeilenlaser eingesetzt werden, der das Zahnrad über die gesamte Breite vermisst bzw. abtastet. Der Sensor muss dabei während der Messung nicht bewegt werden. Die Messdaten werden anschliessend mit vorgegebenen Solldaten verglichen.
[0035] Mit Hilfe der Erfindung kann die Messdauer für Messungen am Werkstück inklusive der Auswertung der Messdaten wesentlich reduziert werden. Ausserdem kann die Messung sowohl beim Hochlaufen der Drehzahl der Spindel, als auch nach Erreichen der maximalen/voller Drehzahl durchgeführt werden. Mit Hilfe der Vorrichtung und des Verfahrens gemäss der Erfindung kann eine erhebliche Zeitersparnis realisiert werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0036] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Figuren. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>Eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Honmaschine; und
<tb>Fig. 2<sep>Eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Honmaschine.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
[0037] Die Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Honmaschine 1 zur Feinbearbeitung eines vorverzahnten Werkstücks, beispielsweise eines Zahnrads 2 mit Aussen Verzahnung.
[0038] Die Honmaschine 1 umfasst eine Spindel 3, an der das zu bearbeitenden Zahnrad 2 angeordnet ist. Innerhalb eines Gehäuses 4 ist ein Antrieb 5 zur Erzeugung einer Rotation der Spindel 3 vorgesehen.
[0039] In einer Bearbeitungsposition, wie in der Fig. 1 dargestellt, steht die Vorverzahnung des Zahnrads 2 in Eingriff mit entsprechenden Eingriffsmitteln eines Honrings 6. Die Eingriffsmittel (z.B. eine Art Innenverzahnung) des Honrings 6 wirken mit der Vorverzahnung des Zahnrads 2 zusammen, um die Vorverzahnung des Zahnrads 2 zu bearbeiten. Die Bewegungen der Spindel 3 und des Honrings 6 sind synchronisiert.
[0040] Um eine gleichmässige Bearbeitung an beiden Flanken der Verzahnung zu erzielen, muss vor der Bearbeitung die Winkellage des Zahnrads 2 relativ zur Lage der Eingriffsmittel des Honrings 6 ermittelt werden. Zur Bestimmung der Winkellage des Zahnrads 2 relativ zur Winkellage der Spindel 3 ist eine Messsonde (Einzentriersonde, Sensor) 7 vorgesehen, die die Winkellage des Zahnrads 2 in einer Position erfasst, in der das Werkzeug 6 und das Werkstück 2 ausser Eingriff stehen. Der Sensor 7 arbeitet berührungslos, beispielsweise induktiv. Er kann ein digitales oder ein analoges Signal ausgeben.
[0041] Wie aus der Fig. 1 deutlich wird, ist der Sensor 7 innerhalb der Honmaschine 1, insbesondere innerhalb des Honrings 6, angeordnet. Der Sensor 7 weist zur Innenseite des Honrings 6. Er kann z.B. am Reitstock angeordnet sein. Zudem ist der Sensor 7 derart angeordnet, dass er, während das Zahnrad 2 in einer Bearbeitungsposition steht, Parameter der Verzahnung des Zahnrads 2 erfassen kann. Dies bedeutet, dass Messdaten während des Hochlaufens des Spindelantriebs 5 und während der Bearbeitung des Zahnrads 2 aufgenommen werden können. Während der Bearbeitung können Winkellage und Qualität der Verzahnung überwacht werden. Im Ergebnis kann der Sensor 7 die Messdaten präzise auch während des Hochfahrens des Spindelantriebs und selbst während der Bearbeitung erfassen. Dies führt zu einer erheblichen Zeitersparnis.
Ausserdem kann das Messsystem auch zur Überwachung der Winkellage sowie der Qualität der Verzahnung während der Bearbeitung eingesetzt werden.
[0042] Innerhalb des Gehäuses 4 des Antriebs 5 ist ein Encoder 8 angeordnet, der die Lage der Spindel 3 zu einem bestimmten Zeitpunkt ermittelt. Die vom Encoder 8 ausgegebenen Werte und die vom Sensor erfassten Werte werden zur Korrektur der Winkellage des Werkstücks 2 relativ zum Werkzeug 6 weiter verarbeitet. Dieser Vorgang wird als Einzentrieren bezeichnet. Durch das Einzentrieren wird ein möglichst mittiger Eingriff der Eingriffsmittel des Honrings 6 in die Zahnlücken des Zahnrads 2 gewährleistet.
[0043] Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Honmaschine 1.
[0044] Die Honmaschine 1 weist eine Spindel 3 auf, die durch einen in einem Gehäuse 4 angeordneten Antrieb 5 in Rotation versetzt werden kann. Ein auf der Spindel 3 angeordnetes Werkstück 2 mit Vorverzahnung wird über die Spindel 3 in Rotation versetzt (Rotationsachse z).
[0045] Zur Ermittlung der relativen Winkellage der Vorverzahnung eines Zahnrads 2 und einer Spindel 3 ist ein Sensor 7 vorgesehen. Dieser kann auf einem Schlitten 9 angeordnet sein, der in einem oder mehreren Freiheitsgraden, beispielsweise entlang der angedeuteten Achsen x, y und/oder z bewegbar (Translation) und/oder um eine oder mehrere dieser rotierbar in der Honmaschine 1 angeordnet ist.
[0046] Insbesondere werden berührungslos, beispielsweise optisch, induktiv, magnetisch, kapazitativ, etc., arbeitende Sensoren 7 verwendet.
[0047] Als Sensor 7 kann beispielsweise ein digital schaltender Sensor verwendet werden. Der Sensor 7 schaltet in Abhängigkeit davon, ob sich unter dem Sensor ein Zahnkopf oder ein Zahnfuss befindet.
[0048] Alternativ dazu kann der Sensor 7 auch als analoger Sensor bereitgestellt werden. Dieser erzeugt bei der Bewegung des Zahnrades ein mehr oder weniger periodisches Signal.
[0049] Der Sensor ist, wie in der Fig. 1dargestellt, innerhalb des Honrings 6 und/oder in einer Position angeordnet, die als Bearbeitungsposition bezeichnet wird. Die Bearbeitungsposition ist entweder eine Position, in der das Zahnrad 2 noch ausser Eingriff mit dem Honring 6 steht, allerdings durch eine geringfügige translatorische Bewegung oder Verschwenkung des Honrings 6 mit diesem in Eingriff gebracht werden kann, sobald nach dem Hochlaufen und der Winkellagekorrektur (durch ein entsprechendes Steuersignal) eine mit dem Honring 6 synchronisierte Geschwindigkeit erreicht ist. Anschliessend steht das Werkstück 2 in der Bearbeitungsposition in Eingriff mit dem Honring 6.
[0050] Darüber hinaus wird ein schnelles Datenerfassungs- und Signalverarbeitungssystem verwendet, das Messdaten äusserst schnell und präzise erfassen kann. Die Synchronisation der analogen Sensorwerte mit dem Lagesignal kann beispielsweise durch eine gemeinsame Clock und/oder durch eine sehr schnell arbeitende Abtastung erreicht werden. Im Gegensatz zum digital arbeitenden System stehen pro Zahn wesentlich mehr Messwerte zur Verfügung, wodurch eine deutliche Steigerung der Präzision der Messung ermöglicht wird.
[0051] Vom Sensor 7 (analog oder digital schaltend) werden die ermittelten Messdaten an eine Lageerfassungskarte 10 übermittelt, die die Lagewerte des Zahnrads 2 aus den ermittelten Messwerten bestimmt. Im Fall eines analogen Sensors 7 kann der Lageerfassungskarte ein Analog-Digitalwandler vorgeschaltet sein.
[0052] Die Auswertung der Messdaten zur Bestimmung der relativen Lage des Werkstücks 2 und der Spindel 3 kann über verschiedene geeignete Algorithmen erfolgen, z.B. mittels Fourier-Analyse, Ermittlung von Maxima oder Minima, Flankendurchgängen, etc.
[0053] Darüber hinaus kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, die die Lagedaten auswertet und an eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung weitergibt.
[0054] Die Messung kann sowohl bei Hochlaufen der Spindel 3 als auch bei voller Umdrehung (z.B. 10000 Hz Zahneinlauffrequenz) durchgeführt werden.
TECHNICAL AREA
The application relates to a device for fine machining a workpiece having a toothing, comprising: a spindle for arranging the workpiece to be machined on the spindle; a drive for generating a rotation of the spindle; and a measuring device for determining the angular position of the toothing of the workpiece relative to the spindle, wherein the measuring device has at least one arranged in the region of the toothing of the workpiece sensor for detecting measurement data.
In addition, the application relates to a method for fine machining a workpiece having a toothing, in particular by means of a device as described above, comprising the steps of: a) arranging the workpiece on a spindle; b) driving the spindle to produce a rotation of the workpiece; c) detection of measured values with respect to the toothing of the workpiece in the region of the toothing of the rotating workpiece by means of at least one sensor; and d) determining the angular position of the toothing of the workpiece relative to the spindle.
STATE OF THE ART
In the manufacture of gears with high demands on the running quality, the surface of the tooth flanks of a pre-toothed workpiece (gear) is subjected to a fine machining by means of a finishing tool. For example, the tooth flanks of the workpiece are machined with a honing or grinding tool. In this case, the pre-toothed workpiece is first arranged on a machining spindle.
Before the start of processing, it is necessary to determine the angular position of the workpiece to be machined relative to the machining spindle to ensure during machining as central as possible engagement of the honing tool in the tooth spaces of the pre-toothed workpiece. For this purpose, the gear is rotated and detected by means of a probe (Einzentriersonde) the angular position of the teeth of the workpiece relative to the spindle, so that it can be balanced with the position of the engagement means of the honing tool. The sensor may be, for example, an inductive proximity switch which radially scans the rotating gear. This determines the relative angular position.
Since the fine machining of the tooth flanks of the gear requires high precision, a plurality of measuring points is desirable. In addition, the time required to determine the angular position is significant and has a negative effect on the throughput of the finishing machine.
If, in addition with the help of the same sensor (or another sensor) a toothing or toothing measurement performed in which the individual teeth must be measured over the entire gear width, an even greater expenditure of time must be taken into account.
OBJECT OF THE INVENTION
Based on this, the object of the present invention is to provide a fine machining machine with a precisely functioning gear positioning and a method for their operation, with the aid of the throughput of the fine machining can be increased.
TECHNICAL SOLUTION
This object is achieved by a device for finishing according to claim 1 and a method for finishing according to claim 6. Advantageous embodiments of the invention will become apparent from the features of the dependent claims.
An inventive device for fine machining a workpiece having a toothing comprises: a spindle for arranging the workpiece to be machined on the spindle; a drive for generating a rotation of the spindle; and a measuring device for determining the angular position of the toothing of the workpiece relative to the spindle, wherein the measuring device has at least one arranged in the region of the toothing of the workpiece sensor for detecting measurement data. The sensor is arranged within the device such that measurement data concerning parameters of the toothing of the workpiece can be detected in a processing position of the workpiece.
The gear recognition system is composed in principle of at least one sensor and a transmitter together. With the aid of the sensor, the toothing of the workpiece or of a dressing gear wheel, e.g. a diamond dressing gear, are scanned. The sensor with a corresponding evaluation is decoupled from controls of the precision machining machine designed or operates independently of these, in order to achieve the fastest possible position determination, in the optimal case, almost a real-time determination.
In order to use a system with a specific sensor for measurements on different gears or for the dressing gear, the sensor should react as little as possible sensitive to changes in distance. This means that sensors with large measuring ranges and tolerances are preferred. The sensors should be as universal as possible for different gears. It is also advantageous to provide an additional positioning axis, whereby the measuring range of the sensor can be significantly extended.
To damage the sensor after detecting the angular position, e.g. during machining of the workpiece, the sensor may be movably arranged so that it can be withdrawn after its use from a potential danger area to avoid damage.
The processing position in the sense of the application is a position in which the fine machining is performed or at least can be performed, so in particular a position in which the teeth of the workpiece is already in engagement with the tool. In this case, the tool and the workpiece or the dressing gear must run synchronously. However, the workpiece or dressing gear can also be in the machining position out of engagement with the tool. In this case, the tool and the workpiece or the dressing gear must not run synchronously. The machining position is characterized in that the tool and the workpiece or Abrichtzahnrad can be brought by a (minor) relative movement engaged.
In particular, the tool, e.g. a honing ring, are moved towards the spindle (for example, by a translational movement and / or pivoting) to make the engagement. In the machining position, the drive of the spindle is started up immediately before an engagement of the workpiece with the tool and the workpiece is set in rotation. During startup, the angular offset (difference between actual and desired position) of the workpiece relative to the spindle is determined independently of the rotational speed, before the workpiece rotating at a predefined speed is brought into engagement with the tool.
Preferably, the device comprises at least one machining tool which engages in the machining position of the workpiece with the teeth of the workpiece. The machining tool is in particular a honing tool or a honing ring, a grinding tool, etc. It is usually movable so that it can be brought into and out of engagement with one or more workpieces.
In a particularly preferred embodiment of the invention, the measuring device has at least one position detection device for determining the angular position of the toothing of the workpiece in dependence on the detected measurement data. The position detection means may be a corresponding card or circuit which, substantially independently of control means of the finishing machine, e.g. the honing machine, works.
In a preferred embodiment of the invention, the sensor may be formed as a digital switching sensor.
In a further preferred embodiment of the invention, the sensor may be formed as an analog sensor. The sensor may be, for example, an analog distance sensor with a high bandwidth, which operates approximately on the inductive principle. The response time of the sensor should be low. In particular, when using analog sensors eddy current sensors can be used to achieve a wide range.
Since analog sensors respond to changes in distance, crashes can also be detected during tooth engagement and appropriate protective measures can be initiated. With the help of analog sensors, the dimensional accuracy can be monitored. Likewise, when using highly sensitive sensors, an indirect force measurement is conceivable.
Analog sensors also have no hysteresis (because of Schmitt trigger) and thus generate no time or position offset. Since the sensor can detect absolute or relative changes in the distance of the measurement object, a distance adjustment of the sensor relative to the tooth head is possible. The sensor can center itself or focus. In the case of relative distance measurement, the amplitude of the measurement signal is related to the measurement distance, which means that the distance can be deduced again. This also gives the possibility of automatically adjusting the distance between the sensor and the workpiece, possibly with the aid of a learning process. He is, in the best case without any conversion, used for differently designed gears or Abrichtzahnräder.
An inventive method for fine machining a workpiece or for machining a tool having a toothing, in particular by means of a device as described above, comprises the steps of: a) arranging the workpiece or a dressing gear on a spindle; b) driving the spindle to produce a rotation of the workpiece or the Abrichtzahnrads; c) detection of measured values with respect to the toothing of the workpiece or the dressing gear in the region of the toothing of the rotating workpiece or of the dressing gear wheel by means of at least one sensor; and d) determining the angular position and / or the toothing quality of the teeth of the workpiece or of the dressing gear relative to the spindle. The measured values are recorded at least in a period during startup or after the spindle has been run up in method step b).
The measurement of the angular position within the scope of the invention is speed independent.
The measured values can thus during start-up to the intended processing speed of the spindle or to an intermediate speed or after run-up, e.g. during machining of the workpiece. However, the detection can also be done when delaying the spindle. The measurement during start-up / deceleration of the spindle or during machining shortens the overall machining time.
The angular position is usually determined during startup. During machining, ie in engagement with the tool, the angular position can be monitored by the same sensor (for example for detecting the slippage of a part on the mandrel). In addition, the monitoring of the toothing quality (for example of features such as workpiece size, kinematic transmission or cumulative pitch error, concentricity error, etc.) can be taken over by means of the sensor.
In the process steps a) to d), the workpiece is preferably already arranged in a processing position, but still out of engagement with the machining tool. By a relative movement between the tool and workpiece or Abrichtzahnrad the workpiece is brought into engagement with the machining tool, in particular by a movement of the tool.
In an alternative embodiment, an assembly or measurement position can be provided in addition to the processing position. The placement or measuring position is arranged on a side facing away from the process within the device. In this position or during the transition to the machining position, a measurement of the angular position during startup of the spindle drive can also be carried out according to the invention. After starting, the workpiece is moved to the machining position and, after the angle correction, brought into engagement with the tool. It is important that also in this case, the spindle reaches the speed required for the engagement or the machining during startup and thus during the measurement of the angular offset.
In a honing machine, all of the mentioned positions can be arranged in the area within the honing ring.
In principle, a measurement can also be made after processing, e.g. when shutting down the spindle drive.
In order to allow a fitting and measurement on a workpiece during the machining of another workpiece, at least two movable spindles are provided in this case, which are alternately brought into the machining and in the mounting position. This can be done by means of a rotating device. The measurement during the startup of a spindle can take place in one of the two positions or even in the transition from one position to the other.
In the prior art, the reading of the angular position of the workpiece is solved by software. The time at which the angular position is read out is subject to a temporal fluctuation, which prolongs the readout process. In addition, the evaluation is usually integrated in control rods, whereby a reading of the measured values is considerably delayed. In contrast, read-out in the present invention is accomplished by a common clock and / or hardware-triggered readout. The readout takes place separately and independently of other control functions of the processing machine.
In particular, the measured values are output by the sensor as digital values.
In particular, the digital readings output by the sensor, e.g. Square wave signals can be used as clock signals for the position detection device. In the structure, the reading of the angular position is hardware-triggered. The signal jitter is minimized. Thus, the rectangular pulse sequence can serve as a trigger signal for evaluating the position signals of the position measuring system on the spindle. The rectangular pulse sequence serves as a hardware trigger for the position measured value detection.
In a further preferred embodiment of the invention, the measured values are output by the sensor as analog measured values. From the analog signal additional sizes can be determined, for example, the distance of the gear to the sensor, gear error, etc.
Since the evaluation is done by software, the range of analog sensors is large. The evaluation of the analogue measured values via buffered values is advantageous since, for example, switching thresholds can be adapted later and time delays calculated out. The entire evaluation can be adapted to the measurement situation. The evaluation of analog measured values takes place in high kHz. or in the MHz range, in a time frame of a few nanoseconds, so that the time delay between the measurement and the determination of the angular offset is extremely low. The evaluation can also be done simultaneously with the measurement.
During the movement of a specific tooth of the toothing of the workpiece relative to the sensor, in particular at least two or more measured values are detected. As a result, a movement of the tooth relative to the sensor can be detected exactly.
In order nevertheless to achieve a maximum speed in the determination of the angular position, a data buffer can be provided in which the data is written before its evaluation.
The transmitter is designed for rapid determination of the angular position of the workpiece relative to the spindle. Apart from that, additional values can be determined from the measured data, for example for quality control of the gearing. Thus, during a toothing test, the tooth geometry can be checked over the entire toothed wheel width with an analogue distance sensor, which is displaced axially (with respect to the axis of rotation of the spindle) during the measurement. The measured data are compared with specified target data.
When measuring the gear geometry over the entire gear width and a line laser can be used, which measures the gear over the entire width or scans. The sensor does not have to be moved during the measurement. The measured data are then compared with specified target data.
With the help of the invention, the measurement time for measurements on the workpiece including the evaluation of the measured data can be significantly reduced. In addition, the measurement can be carried out both when the spindle speed starts up and after the maximum / full speed has been reached. With the aid of the device and the method according to the invention, a considerable saving of time can be realized.
BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Further features and advantages of the invention will become apparent from the description of specific embodiments with reference to the accompanying figures. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> A perspective view of an embodiment of a honing machine according to the invention; and
<Tb> FIG. 2 <sep> A schematic representation of an embodiment of the inventive honing machine.
DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
Fig. 1 shows an inventive honing machine 1 for fine machining a pre-toothed workpiece, such as a gear 2 with external teeth.
The honing machine 1 comprises a spindle 3, on which the gear 2 to be processed is arranged. Within a housing 4, a drive 5 for generating a rotation of the spindle 3 is provided.
1, the pre-toothing of the toothed wheel 2 is in engagement with corresponding engagement means of a honing ring 6. The engagement means (eg a kind of internal toothing) of the honing ring 6 cooperate with the pre-toothing of the toothed wheel 2, to edit the pre-toothing of the gear 2. The movements of the spindle 3 and the honing ring 6 are synchronized.
In order to achieve a uniform machining on both flanks of the toothing, the angular position of the gear 2 must be determined relative to the position of the engagement means of the honing ring 6 before machining. To determine the angular position of the gear 2 relative to the angular position of the spindle 3, a measuring probe (Einzentriersonde, sensor) 7 is provided which detects the angular position of the gear 2 in a position in which the tool 6 and the workpiece 2 are disengaged. The sensor 7 operates contactless, for example, inductive. It can output a digital or an analogue signal.
As is clear from Fig. 1, the sensor 7 within the honing machine 1, in particular within the honing ring 6, is arranged. The sensor 7 faces the inside of the honing ring 6. It can e.g. be arranged on the tailstock. In addition, the sensor 7 is arranged such that, while the gear 2 is in a processing position, it can detect parameters of the toothing of the toothed wheel 2. This means that measurement data can be recorded during the run-up of the spindle drive 5 and during the machining of the gear 2. During machining, the angular position and quality of the toothing can be monitored. As a result, the sensor 7 can precisely detect the measurement data even during the startup of the spindle drive and even during the machining. This leads to a considerable time savings.
In addition, the measuring system can also be used to monitor the angular position and the quality of the teeth during machining.
Within the housing 4 of the drive 5, an encoder 8 is arranged, which determines the position of the spindle 3 at a certain time. The values output by the encoder 8 and the values detected by the sensor are further processed to correct the angular position of the workpiece 2 relative to the tool 6. This process is called centering. By centering as central as possible engagement of the engagement means of the honing ring 6 is ensured in the tooth gaps of the gear 2.
FIG. 2 shows a schematic representation of a honing machine 1 according to the invention.
The honing machine 1 has a spindle 3 which can be set in rotation by a drive 5 arranged in a housing 4. An arranged on the spindle 3 workpiece 2 with pre-toothing is offset via the spindle 3 in rotation (rotation axis z).
To determine the relative angular position of the pre-toothing of a toothed wheel 2 and a spindle 3, a sensor 7 is provided. This can be arranged on a carriage 9, which is arranged in one or more degrees of freedom, for example along the indicated axes x, y and / or z movable (translation) and / or one or more of these rotatable in the honing machine 1.
In particular, non-contact, for example, optical, inductive, magnetic, capacitive, etc., working sensors 7 are used.
As a sensor 7, for example, a digital switching sensor can be used. The sensor 7 switches depending on whether there is a tooth tip or a tooth root under the sensor.
Alternatively, the sensor 7 can also be provided as an analog sensor. This generates a more or less periodic signal during the movement of the gear.
The sensor is, as shown in Fig. 1, disposed within the honing ring 6 and / or in a position which is referred to as a processing position. The machining position is either a position in which the gear 2 is still out of engagement with the honing ring 6, however, by a slight translational movement or pivoting of the honing ring 6 can be engaged with this, as soon as after the run-up and the angular position correction (by a corresponding control signal) is reached synchronized with the honing ring 6 speed. Subsequently, the workpiece 2 is in the machining position in engagement with the honing ring. 6
In addition, a fast data acquisition and signal processing system is used, which can detect measurement data extremely fast and accurate. The synchronization of the analog sensor values with the position signal can be achieved, for example, by a common clock and / or by a very fast sampling. In contrast to the digitally operating system, considerably more measured values are available per tooth, which enables a significant increase in the precision of the measurement.
From the sensor 7 (analog or digital switching), the determined measurement data are transmitted to a position detection card 10, which determines the position values of the gearwheel 2 from the measured values determined. In the case of an analog sensor 7, the position detection card may be preceded by an analog-to-digital converter.
The evaluation of the measurement data for determining the relative position of the workpiece 2 and the spindle 3 can take place via various suitable algorithms, e.g. using Fourier analysis, determination of maxima or minima, flank passages, etc.
In addition, an evaluation unit can be provided which evaluates the position data and passes it on to a corresponding control or regulation.
The measurement can be carried out both when the spindle 3 is started up and at full rotation (for example 10000 Hz tooth run-in frequency).