DE10054509A1 - Verfahren zum Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer Bohrung und Vorrichtung hierzu - Google Patents
Verfahren zum Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer Bohrung und Vorrichtung hierzuInfo
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück (10) eingebrachten, insbesondere kleinen Bohrung (11), angegeben, bei der im Bearbeitungsprozeß ein in die Bohrung (11) eintauchendes Bearbeitungswerkzeug (14) mit einem an seinem Umfang angeordneten Arbeitsmittel (17) an der Bohrungswand (111) der Bohrung (11) im Werkstück (10) ansetzt und dabei Werkzeug (14) und/oder Werkstück (10) rotieren. Zur Online-Messung des Abtrags wird während des Bearbeitungsprozesses fortlaufend der Abstand zwischen einem am Bearbeitungswerkzeug (14) festgelegten, mit diesem synchron umlaufenden Punkt (19) einerseits und der Bohrungswand (111) andererseits interferrometrisch gemessen und die Abstandsänderung ermittelt und als Maß für den Abtrag in der Bohrung (11) ausgegeben. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist angegeben (Fig. 1).
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Messen des
Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein
Werkstück eingebrachten, insbesondere kleinen Bohrung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Feinbearbeitung von großen Bohrungen durch Schleifen
oder Honen verwendet man zum Messen des erzielten
Innendurchmessers oder der lichten Weite der Bohrung
Meßabtaster oder Kalibrierdorne. Dies läßt aber nur eine sehr
eingeschränkte Meßgenauigkeit zu und hat den wesentlichen
Nachteil, daß der Bearbeitungsvorgang zwecks Messen des
momentan erreichten Bohrungsdurchmessers unterbrochen werden
muß.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat demgegenüber den Vorteil,
daß während des Bearbeitungsprozesses der Materialabtrag an
der Bohrungswand ständig gemessen wird und bei Erreichen des
gewünschten Maßes der Bearbeitungsprozeß sofort gestoppt
werden kann. Dadurch wird die Fertigungszeit extrem
reduziert, und die Fertigungskosten sinken. Das
interferometrische Messen des Abtragsmaßes läßt eine hohe
Meßauflösung zu, so daß Bohrungstoleranzen von kleiner als
0,5 µm erzielbar sind.
In alternativen Ausführungsformen der Erfindung wird dabei
der Meßstrahl des Interferometers direkt auf die zu
bearbeitende Bohrungswand oder auf die Innenwand eines zum
Werkstück koaxialen Referenzrings, der drehfest mit dem
Werkstück verbunden ist, gerichtet und dort reflektiert.
Letzteres erfordert durch die Notwendigkeit der Anbringung
des Referenzrings mit exaktem Rundlauf an jedem Werkstück
zwar einen vergrößerten Rüstaufwand, doch wird dadurch der
negative Einfluß des beim Bearbeitungsprozeß zwingend
erforderlichen Kühlschmierstoffes an der Bohrungswand auf das
Meßergebnis eliminiert. Auch läßt sich der Referenzring mit
extrem geringer Rauheit der reflektierenden Innenfläche
ausführen, so daß ein nur wenig verrauschtes Meßsignal
erzielt wird.
Durch die in den weiteren Ansprüchen 2-7 aufgeführten
Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und
Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Meßverfahrens
möglich.
Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Meßverfahrens ist in Anspruch 8 angegeben.
Durch die in den Ansprüchen 9-12 aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
Vorrichtung möglich.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
Fig. 1 und 2 jeweils einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur
Innenrundfeinbearbeitung einer Bohrung in einem
darin eingespannten Werkstück in Verbindung mit
einer Meßvorrichtung zur Messung des beim
Bearbeitungsprozeß erreichten Materialabtrags gemäß
zweier Ausführungsbeispiele,
Fig. 3 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur
Innenrundfeinbearbeitung einer Bohrung in einem
Werkstück mit einer Meßvorrichtung zur Messung des
Abtrags während des Bearbeitungsprozesses gemäß
einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4A ein Diagramm der Längenänderung des radialen
Meßstrahlabschnitts in Abhängigkeit von der
Winkelposition des Bearbeitungswerkzeugs,
Fig. 4B und 4C jeweils einen Ausschnitt des normierten
Intensitätssignals des Interferometers als Funktion
der Winkelposition des Bearbeitungswerkzeugs in
zwei verschiedenen Winkelpositionsbereichen,
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Steuer- und
Auswerteeinheit in der Meßvorrichtung in
Fig. 1-3 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Steuer- und
Auswerteeiheit in der Meßvorrichtung in
Fig. 1-3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück 10
eingebrachten kleinen Bohrung 11 wird das Werkstück 10 in
einen Werkstückhalter 12 eingespannt, der mit einer
bestimmten Drehzahl, z. B. 1500 U/min. in Richtung Pfeil 13 in
Fig. 1 rotiert. Ein Bearbeitungswerkzeug 14 ist mit seinem
Werkzeugschaft 15 in einer zugleich einen Werkzeughalter
bildenden Spindel 16 festgespannt, die sich gemäß Pfeil 13'
in Fig. 1 in Gegenrichtung zu dem Werkstückhalter 12 mit
einer sehr hohen Drehzahl, z. B. 90000 U/min. dreht. An
seinem in die Bohrung 11 des Werkstücks 10 eintauchenden
vorderen Ende trägt das Bearbeitungswerkzeug 14 ein an seinem
Umfang angeordnetes Arbeitsmittel 17. Die Rotationsachsen von
Werkstück 10 und Bearbeitungswerkzeug 14 verlaufen parallel
zueinander, und da das Werkzeug 14 einem radialen Vorschub in
Richtung Pfeil 48 in Fig. 1 ausgesetzt ist, setzt das
Arbeitsmittel 17 zur Erzeugung eines Abtrags mit einer
Anpreßkraft an der Bohrungswand 111 der Bohrung 11 an. Weist
- wie im vorliegenden Fall - die Bohrung 11 eine gegenüber
der axialen Länge des Arbeitsmittels 17 größere Bohrungstiefe
auf, so führt das Bearbeitungswerkzeug 14 zusätzlich eine
axiale Pendelbewegung oder Kurzhuboszillation aus, damit die
Bohrung 11 gleichmäßig über die gesamte Bohrungstiefe
bearbeitet wird. Die Kurzhuboszillation der Spindel 16 bzw.
des Bearbeitungswerkzeugs 14 ist in Fig. 1 durch den
Doppelpfeil 49 angedeutet. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel wird die Innenrundfeinbearbeitung durch
Schleifen ausgeführt, so daß das Arbeitsmittel 17 am Ende des
Werkzeugschaftes 15 von einem Schleifbelag gebildet ist, der
während des Schleifprozesses einer Abnutzung unterliegt. Die
Innenrundfeinbearbeitung kann aber auch z. B. durch Honen
erfolgen. Während der Innenrundfeinbearbeitung wird über
einem im Werkzeugschaft 15 zentrisch verlaufenden
Kühlschmierstoffkanal 18 Kühlschmierstoff in die Bohrung 11
eingebracht und gelangt dort an deren Bohrungswand 111.
Da bei der Innenrundfeinbearbeitung der Bohrung 11 sehr hohe
Anforderungen an den zu fertigenden Innendurchmesser gestellt
werden, dessen Toleranzen kleiner 0,5 µm liegen müssen, wird
während des Bearbeitungsprozesses, im vorliegenden Fall
während des Schleifprozesses, fortlaufend der Abstand
zwischen einem am Werkzeug 14 festgelegten, mit diesem
synchron umlaufenden Punkt 19 einerseits und der Bohrungswand
111 andererseits interferometrisch gemessen und aus der
Abstandsänderung ein Maß für den Materialabtrag in der
Bohrung 11 ermittelt. Zu diesem Zweck ist ein Laser-
Interferometer 20 vorgesehen, das einen Meßstrahl 21 mit
einem innerhalb der Bohrung 11 zwischen dem Punkt 19 am
Werkzeug 14 und der Bohrungswand 111 verlaufenden, synchron
mit dem Werkzeug 14 umlaufenden Meßstrahlabschnitt 211 (in
Fig. 1 punktiert dargestellt) erzeugt. Der Meßstrahl 21
selbst verläuft dabei innerhalb des Werkzeugschaftes 15 und
tritt am Punkt 19 an einer arbeitsmittelfreien Stelle des
Werkzeugschaftes 15 radial aus.
Wie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist, weist das in
bekannter Weise den Meßstrahl 21 und einen Referenzstrahl 22
erzeugende Laser-Interferometer 20 zwei Single-Mode-Fasern
23, 24 auf, in denen jeweils der Meßstrahl 21 bzw. der
Referenzstrahl 22 geführt ist. An dem einen Ende der einen
Faser 23 ist eine Laserlicht emittierende Laserdiode 25 und
am anderen Ende dieser Faser 23 eine Linse 26 mit
nachfolgendem Spiegelprisma 27 angekoppelt. Der von der
Laserdiode 25 erzeugte Meßstrahl 21 wird im Spiegelprisma 27
umgelenkt und tritt im Punkt 19 des Werkzeugschaftes 15
radial, den Meßstrahlabschnitt 211 bildend, aus dem
Werkzeugschaft 15 aus. An dem einen Ende der zweiten Faser 24
ist eine Fotodiode 28 als Empfängerdiode angekoppelt, während
das andere Ende der zweiten Faser 24 mit einer ebenen
Spiegelfläche 29 abgeschlossen ist. Die beiden Single-Mode-
Fasern 23, 24 sind durch einen Schmelzkoppler 30 so
miteinander verbunden, daß der von der Laserdiode 25 erzeugte
Laserstrahl in den in der einen Faser 23 verlaufenden
Meßstrahl 21 und in den in der anderen Faser 24 verlaufenden
Referenzstrahl 22 aufgeteilt wird, wie dies in Fig. 1
illustriert ist. Der Schmelzkoppler 30, dessen Funktion der
eines teildurchlässigen Prismas entspricht, bewirkt, daß der
an der Bohrungswand 111 reflektierte Meßstrahl 21, der am
Punkt 19 wieder in die Single-Mode-Faser 23 eintritt, zu der
Fotodiode 28 gelangt und dort mit dem an der Spiegelfläche 29
reflektierten und über den Schmelzkoppler 30 ebenfalls der
Fotodiode 28 zugeführten Referenzstrahl 22 interferiert.
Durch die Interferenz der beiden Laserstrahlen empfängt die
Fotodiode 28 je nach Phasendifferenz von Meß- und
Referenzstrahl 21, 22 viel oder wenig Licht. Bei einer
Abstandsänderung zwischen dem Punkt 19 am Werkzeugschaft 15
und der Bohrungswand 111, also bei einer Änderung der Länge
des Meßstrahlabschnitts 211, ändert sich die Lichtintensität
am Ort der Fotodiode 28 periodisch. Die Periodendauer hängt
von der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts und der
Geschwindigkeit der Längenänderung des Meßstrahlabschnitts
211 ab. Wegen der begrenzten Kohärenzlänge des Laserlichts
sind die Single-Mode-Fasern 23, 24 so ausgeführt, daß der
Meßstrahl 21 und der Referenzstrahl 22 etwa die gleiche
Weglänge zwischen der Laserdiode 25 und der Fotodiode 28
zurücklegen.
Das von der Fotodiode 28 erzeugte Intensitätssignal wird in
einer Steuer- und Auswerteeinheit 31 signaltechnisch
verarbeitet und daraus fortlaufend der mit dem
Bearbeitungswerkzeug 14 an der Bohrungswand 111 erzielte
Abtrag an Material ermittelt. Ein hierzu verwendetes
Signalverarbeitungsverfahren sieht vor, in dem von der
Fotodiode 28 ausgegeben, ggf. verstärkten Intensitätssignal
pro Zeitintervall die Anzahl der Maxima oder Nulldurchgänge
oder der Über- und/oder Unterschreitungen einer vorgegeben
Schwelle zu bestimmen. Das Zeitintervall entspricht dabei
einer vollen Umdrehung des Werkzeugs 14 oder einem Vielfachen
einer Werkzeugumdrehung. Aus der Zunahme der Anzahl der
gezählten Maxima, Nulldurchgänge oder Schwellendurchgänge
wird eine dem Abtrag proportionale Größe ermittelt und
ausgegeben.
Fig. 4A zeigt ein Diagramm der Änderung Δd des Abstandes des
Punktes 19 des radialen Austritts des Meßstrahls 21 aus dem
Werkzeugschaft 15 von der Bohrungswand 111, also der
Längenänderung des Meßstrahlabschnitts 211, als Funktion der
Drehwinkelposition ϕ des Werkzeugs 14. Diese Funktion wird
beschrieben durch die Gleichung
wobei d = d2 - d1, d2 der Innendurchmesser der Bohrung 11 und
d1 der Außendurchmesser des Arbeitsmittels 17 bzw. des
Schleifbelags ist. Das normierte Intensitätssignal I(ϕ)
entspricht der Funktion
bei der eine Periode durchlaufen wird, wenn sich Δd um λ/2
ändert, wobei λ die Lichtwellenlänge ist. Da die
Abstandsänderung Δd bei konstanter Drehzahl des Werkzeugs 14
nichtlinear ist, ergibt sich ein frequenzmoduliertes
Ausgangssignal I(ϕ). Das normierte Intensitätssignal I(ϕ) ist
in Fig. 4B und 4C in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition
des Werkzeugs 14 für zwei verschiedene Positionsbereiche
dargestellt, wobei der jeweilige Winkelpositionsbereich in
Fig. 4A mit B und C gekennzeichnet ist. Wie bereits erwähnt,
werden in diesem Intensitätssignal die Anzahl der Nullstellen
oder Maxima pro Zeitintervall gezählt. Vorteilhaft kann aber
auch das Intensitätssignal über eine Schwelle geführt werden,
die beispielsweise bei dem normierten Intensitätssignal gemäß
Fig. 4 bei 0,5 liegt, und die Schwellendurchgänge, d. h. die
Zahl der Über- und Unterschreitungen der Schwelle, pro
Zeitintervall gezählt werden. Das Zeitintervall entspricht
einer Umdrehung des Werkzeugs 14 oder einem Vielfachen davon.
Solange der Innendurchmesser der Bohrung 11 und der
Außendurchmesser des Arbeitsmittels 17 bzw. des
Schleifmittelbelags unverändert sind, bleibt die erfaßte Zahl
der Nullstellen, Maxima oder Schwellendurchgänge pro
Zeitintervall konstant. Wird durch den Bearbeitungsprozeß an
der Bohrungswand 111 Material abgetragen, so nimmt die Anzahl
der pro Zeitintervall gezählten Nullstellen, Maxima oder
Schwellendurchgänge zu, wobei die Zunahme ein direktes Maß
für den Materialabtrag an der Bohrungswand 111 ist.
Zur Auswertung des von der Fotodiode 28 gelieferten
Intensitätssignals I(ϕ) weist die in Fig. 5 im
Blockschaltbild dargestellte Steuer- und Auswerteeinheit 31
3 einen Impulsgeber 32, der je nach Konzeption im
Intensitätssignal der Fotodiode 28 Nullstellen, Maxima oder
Schwellendurchgänge durch eine vorgegebene Schwelle
detektiert und jeweils einen Impuls ausgibt, einen die
Impulse zählenden Zähler 33, der von einer Triggereinheit 34
zurückgesetzt wird, und einen Steuerrechner 35 auf, der
einerseits die Triggereinheit 34 mit der Drehwinkelstellung
des Werkzeugs 14 synchronisiert und andererseits aus den
Zählerständen des Zählers 33 das Maß für den Abtrag an der
Bohrung 11 errechnet. Die Triggereinheit 34 wird dabei so
gesteuert, daß sie bei jeder Umdrehung des Werkzeugs 14 oder
einem Vielfachen davon einen Rücksetzimpuls an den Zähler 33
gibt, der daraufhin auf Zählstand "Null" gesetzt wird.
Gleichzeitig übernimmt der Steuerrechner 35 den vor dem
Zurücksetzen aufsummierten Zählerstand. Aus den sich
ändernden Zählerständen errechnet der Steuerrechner 35 das
Abtragsmaß, das direkt proportional der Zunahme der
Zählerstände ist, und gibt dieses an eine Anzeigeeinheit 36.
Letztere kann zusätzlich so konzipiert sein, daß sie einen
den Bearbeitungsprozeß abbrechenden Stoppimpuls ausgibt,
sobald ein voreingestelltes Maß des Abtrags erreicht ist. Die
Stoppfunktion kann auch im Steuerrechner 35 realisiert
werden.
Wenn sich das Arbeitsmittel 17, im vorliegenden Beispiel der
Schleifbelag, während des Bearbeitungsprozesses abnutzt, so
ist das wie vorstehend beschrieben ermittelte Abtragsmaß
insofern fehlerbehaftet als auch die Abnutzung des
Arbeitsmittels 17 zu einer Änderung des Zählerstands pro
Zeitintervall führt und damit das ermittelte Abtragsmaß nur
ein "scheinbares" ist, das gleichzeitig die Abnutzung des
Arbeitsmittels 17 miterfaßt. Um daraus das "wahre" Abtragsmaß
zu erhalten, muß das "scheinbare" Abtragsmaß um das Maß der
Abnutzung des Arbeitsmittels 17 reduziert werden. Das Maß der
Abnutzung des Arbeitsmittels 17 kann auf verschiedene Weise
bestimmt werden.
Bei einem alternativen Meßverfahren, zu dem die Steuer- und
Auswerteeinheit 31' der Meßvorrichtung in Fig. 6 im
Blockschaltbild dargestellt ist, wird während des
Bearbeitungsprozesses fortlaufend die Abnutzung des
Arbeitsmittels 17 gemessen und entsprechend das "scheinbare"
Arbeitsmaß korrigiert, so daß direkt das tatsächliche oder
"richtige" Abtragsmaß erhalten wird.
Bei diesem Verfahren wird das vom Laser-Interferometer 20
ausgegebene Intensitätssignal I(ϕ) pro Umdrehung des
Werkzeugs 14 zweimal mit Drehwinkelversatz abgetastet, wobei
der Drehwinkelversatz so gewählt ist, daß der vom
austretenden Meßstrahl 21 zur Bohrungswand 111
zurückzulegende Weg, also die Länge des Meßstrahlabschnitts
211, d. h. der Abstand des Punktes 19 des Meßstrahlaustritts
am Werkzeugschaft 15 von der Bohrungswand 111, zu den beiden
Abtastzeitpunkten signifikant unterschiedlich ist. Aus der
Änderung der Intensität oder der daraus resultierenden
relativen Phasenlage der Abtastwerte für den kurzen Weg oder
den kurzen Meßstrahlabschnitt 211 wird ein Maß für die
Abnutzung des Arbeitsmittels 17 und aus der Änderung der
Intensität oder der daraus resultierenden Phasenlage der
Abtastwerte für den Längeren Weg oder den längeren
Meßstrahlabschnitt 211 wird das scheinbare Abtragsmaß
ermittelt. Dieses scheinbare Abtragsmaß wird um das Maß der
Abnutzung des Arbeitsmittels 17 reduziert und so das richtige
Maß des Abtrags in der Bohrung 11 bestimmt. Die
Abtastzeitpunkte werden dabei vorzugsweise so gelegt, daß der
kurze Meßstrahlabschnitt minimal und der lange
Meßstrahlabschnitt maximal ist, also der Punkt 19 des
Meßstrahlaustritts aus dem Werkzeugschaft 15 einmal seinen
kleinsten Abstand und einmal seinen größten Abstand von der
Bohrungswand 111 aufweist, bzw. der austretende Meßstrahl 21
den längsten und einmal den kürzesten Weg zur Bohrungswand
111 zurücklegt.
Die hierzu verwendete Steuer- und Auswerteeinheit 31', die in
Fig. 6 im Blockschaltbild dargestellt ist, weist eine
Abtasteinheit 37 auf, die von einer Triggereinheit 38
gesteuert wird und mit jedem Triggerimpuls einen Abtastwert
des Intensitätssignals I(ϕ) der Fotodiode 28 ausgibt. Zur
Steuer- und Auswerteeinheit 31' gehört noch ein Steuerrechner
39, der einerseits die Triggereinheit 38 mit der
Drehwinkelstellung des Werkzeugs 14 so synchronisiert, daß
die Triggereinheit 38 pro Werkzeugumdrehung zwei
Triggerimpulse im zeitlichen Abstand an die Abtasteinheit 37
legt, und zwar vorzugsweise dann, wenn der Punkt 19 des
Meßstrahlaustritts den kleinsten und den größten Abstand von
der Bohrungswand 111 aufweist. Aus den dem Steuerrechner 39
zugeführten Abtastwerten ermittelt letzterer die Phasenlage
der Abtastwerte für den kürzeren und die Phasenlage der
Abtastwerte für den größeren Abstand. Aus der Änderung der
Phasenlage der Abtastwerte für den größeren Abstand bestimmt
der Steuerrechner 39 das scheinbare Abtragsmaß an der
Bohrungswand 111 der Bohrung 11 und aus der Änderung der
Phasenlage der Abtastwerte für den kleineren Abstand das Maß
der Abnutzung des Arbeitsmittels 17. Beide Maße werden einer
Subtrahierstufe 40 zugeführt, die von dem scheinbaren
Abtragsmaß das Maß der Abnutzung subtrahiert und das
Subtraktionsergebnis "richtiges Abtragsmaß" an eine
Anzeigeeinheit 41 weiterleitet. Die Anzeigeeinheit 41 kann in
gleicher Weise ausgebildet werden wie die zu Fig. 5
beschriebene Anzeigeeinheit 36. Anstelle der Phasenlage
können auch die Intensitäten der zwei Gruppen von
Abtastwerten ausgewertet werden.
In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 ist neben dem
Laser-Interferometer 20 auch die Steuer- und Auswerteeinheit
31 in der Spindel 16 der Bearbeitungsvorrichtung integriert,
während in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die Steuer- und
Auswerteeinheit 31 räumlich feststehend angeordnet ist. Von
dem Laser-Interferometer 20 ist die Fotodiode 28 ebenfalls
räumlich feststehend außerhalb der Spindel 16 untergebracht
und mit der Steuer- und Auswerteeinheit 31 nach wie vor
elektrisch verbunden. Anstelle der Steuer- und
Auswerteeinheit 31 gemäß Fig. 5 kann auch die Steuer- und
Auswerteeinheit 31' gemäß Fig. 6 eingesetzt werden. Der den
reflektierten Meßstrahl 21 und den reflektierten
Referenzstrahl 22 führende Abschnitt der Single-Mode-Faser 24
verläuft endseitig in der Spindel- bzw. Werkzeugachse und
mündet mit seinem Stirnende 241 in der Stirnfläche 161 der
Spindel 16. Das Faserende der Faser 24 ist an die Fotodiode
28 optisch angekoppelt, was entweder dadurch erfolgt, daß die
Fotodiode 28 mit der Spindel- bzw. Werkzeugachse fluchtend
angeordnet ist, oder das Ende einer zur Fotodiode 28
führenden Lichtleitfaser 47 dem Stirnende 241 der Faser 24
mit Spaltabstand zur rotierenden Spindel 16 fluchtend
gegenüberliegt. Da in diesem Fall der Kühlschmierstoff nicht
mehr axial durch die Spindel 16 hindurchgeführt werden kann,
wird im Bereich der Spindel 16 der Kühlschmierstoff über
Dichtringe 43 einer umlaufenden Nut 44 zugeführt, von der
eine radiale Bohrung bis zu dem das Werkzeug 14 und einen
Teil der Spindel 16 axial durchdringenden
Kühlschmierstoffkanal 18 reicht.
Um den Einfluß des an der Bohrungswand 111 vorhandenen
Kühlschmierstoffs auf das Meßergebnis zu eliminieren, wird
der aus dem Werkzeugschaft 15 im Punkt 19 austretende
Meßstrahl 21 nicht an die Bohrungswand 111 geführt und dort
reflektiert, sondern - wie in Fig. 2 dargestellt ist - an die
Innenwand 461 eines Referenzrings 46, der koaxial mit dem
Werkstück 10 an diesem drehfest befestigt ist. Die Innenwand
461 des Referenzrings 46 ist hochfein bearbeitet, so daß sie
eine extrem geringe Oberflächenrauheit aufweist. Mit einem
solchen Referenzring 46 werden hochgenaue Meßergebnisse
erzielt.
Bei Heranziehen des Referenzrings 46 muß das vorstehend
beschriebene Verfahren zur Kompensation der Abnutzung des
Arbeitsmittels 17 etwas modifiziert werden, um direkt das
tatsächliche oder "richtige" Abtragsmaß zu erhalten. In
diesem Fall wird die Kurzhuboszillation der Spindel 16 bzw.
des Bearbeitungswerkzeugs 14 ausgenutzt und das vom Laser-
Interferometer ausgegebene Intensitätssignal pro Umdrehung
des Werkzeugs 14 einmal abgetastet, und zwar derart, daß der
Meßstrahl bei Bearbeiten des dem Referenzring 46 zugekehrten
vorderen Bohrungsabschnitts der Bohrung 11 einen Weg zur
Innenwand 461 des Referenzrings 46 und bei Bearbeiten des dem
Referenzring 46 zugekehrten hinteren Bohrungabschnitts einen
kurzen Weg zur Bohrungswand 111 der Bohrung 11 zurücklegt.
Aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der
Abtastwerte für den kurzen Weg zur Bohrungswand 111 der
Bohrung 11 wird ein Maß für die Abnutzung des Arbeitsmittels
17 und aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage
der Abtastwerte für den Weg zur Innenwand 461 des
Referenzrings 46 das scheinbare Abtragsmaß ermittelt. In
gleicher Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren
wird nunmehr das scheinbare Abtragsmaß nach Reduktion um das
Maß der Abnutzung des Arbeitsmittels 17 als richtiges Maß des
Abtrags in der Bohrung 11 ausgegeben.
Zur Durchführung dieses modifizierten Verfahrens wird in der
in Fig. 6 dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit 31' der
Steuerrechner 39 so modifiziert, daß er die Triggereinheit 38
mit der Drehwinkel- und Axialverschiebestellung des
Bearbeitungswerkzeugs 14 so synchronisiert, daß die
Triggereinheit 38 bei jeder Werkzeugumdrehung einen
Triggerimpuls im zeitlichen Abstand an die Abtasteinheit 37
legt. Diese Zeitpunkte sind entsprechend der Modifikation des
Verfahrens nunmehr so gelegt, daß der aus dem Werkzeugschaft
15 austretende Meßstrahl 21 bei momentaner Bearbeitung des
dem Referenzring 46 zugekehrten vorderen Bohrungsabschnitts
der Bohrung 11 einen Weg zur Innenwand 461 des Referenzrings
46 und bei momentaner Bearbeitung des vom Referenzring 46
abgekehrten hinteren Bohrungsabschnitts der Bohrung 11 einen
kurzen Weg zur Bohrungswand 111 der Bohrung 11 zurücklegt.
Der Steuerrechner 39 ermittelt aus den ihm zugeführten
Abtastwerten die Intensität oder die Phasenlage der
Abtastwerte für den kurzen Weg zur Innenwand 111 der Bohrung
11 und die Intensität oder Phasenlage der Abtastwerte für den
Weg zur Innenwand 461 des Referenzrings 46. Aus der Änderung
der Intensität oder Phasenlagen der Abtastwerte für den Weg
zur Innenwand 461 des Referenzrings 46 bestimmt der
Steuerrechner 39 das scheinbare Abtragsmaß an der
Bohrungswand 111 der Bohrung 11 und aus der Änderung der
Intensität oder Phasenlage der Abtastwerte für den kurzen Weg
zur Bohrungswand 111 der Bohrung 11 das Maß der Abnutzung des
Arbeitsmittels 17. Beide Maße werden dann wie zuvor
beschrieben der Subtrahierstufe 40 zugeführt, die von dem
scheinbaren Abtragsmaß das Maß der Abnutzung subtrahiert und
das Subtraktionsergebnis "richtiges Abtragsmaß" an die
Anzeigeeinheit 41 weiterleitet.
Claims (14)
1. Verfahren zum Messen des Abtrags bei der
Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück (10)
eingebrachten insbesondere kleinen Bohrung (11), bei der
ein in die Bohrung (11) eintauchendes
Bearbeitungswerkzeug (14) mit einem an seinem Umfang
angeordneten Arbeitsmittel (17) an der Bohrungswand
(111) der Bohrung (11) ansetzt und dabei das
Bearbeitungswerkzeug (19) und/oder das Werkstück (10)
rotiert und einem radialen Vorschub ausgesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß während des
Bearbeitungsprozesses fortlaufend der Abstand zwischen
einem am Bearbeitungswerkzeug (14) festgelegten Punkt
(19) einerseits und der Bohrungswand (111) der Bohrung
(11) oder der Innenwand (461) eines mit dem Werkstück
(10) starr verbundenen, koaxialen Referenzrings (46)
andererseits interferometrisch gemessen und die
Abstandsänderung ermittelt und als Maß für den Abtrag in
der Bohrung (11) ausgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mittels eines Laser-Interferometers (20) ein Meßstrahl
(21) mit einem zwischen dem Punkt (19) am
Bearbeitungswerkzeug (14) und der Bohrungswand (111)
bzw. der Innenwand (461) des Referenzrings (46)
verlaufenden Meßstrahlabschnitt (211) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
das Laser-Interferometer (20) in einem das
Bearbeitungswerkzeug (14) drehfest aufnehmenden
Werkzeughalter (16) angeordnet und der
Meßstrahlabschnitt (211) an einer arbeitsmittelfreien
Stelle am Umfang des Bearbeitungswerkzeugs (14) radial
aus dem Bearbeitungswerkzeug (14) herausgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß in dem vom Laser-Interferometer (20)
ausgegebenen Intensitätssignal pro Zeitintervall die
Anzahl der Maxima oder Nulldurchgänge oder der
Schwellendurchgänge durch eine vorgegebene Schwelle
bestimmt und die Zunahme der Anzahl als eine dem Abtrag
proportionale Größe ausgegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Ermittlung des richtigen Maßes des Abtrags an der
Bohrungswand (111) die dem Abtrag proportionale Größe um
das Maß einer beim Bearbeitungsprozeß ggf. eintretenden
Abnutzung des Arbeitsmittels (17) reduziert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das vom Laser-Interferometer (20)
ausgegebene Intensitätssignal jeweils zweimal pro
Umdrehung abgetastet wird, daß die Abtastzeitpunkte so
gewählt werden, daß der Meßstrahl (21) einmal einen
kurzen und einmal einen langen Weg zur Bohrungswand
(111) der Bohrung (11) zurücklegt, daß aus der Änderung
der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für
den kurzen Weg ein Maß für die Abnutzung des
Arbeitsmittels (17) und aus der Änderung der Intensität
oder der Phasenlage der Abtastwerte für den langen Weg
das scheinbare Abtragsmaß ermittelt wird und daß das
scheinbare Abtragsmaß nach Reduktion um das Maß der
Abnutzung des Arbeitsmittels (17) als richtiges Maß des
Abtrags in der Bohrung (11) ausgegeben wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abtastzeitpunkte so gelegt sind, daß der vom
Meßstrahl (21) zurückgelegte kurze Weg minimal und der
vom Meßstrahl (21) zurückgelegte lange Weg maximal ist.
8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bearbeitungswerkzeug (14)
und/oder das Werkstück (10) zusätzlich einer
oszillierenden Axialbewegung (49) unterworfen werden,
daß das vom Laser-Interferometer (20) ausgegebene
Intensitätssignal bei jeder Umdrehung so abgetastet
wird, daß der Meßstrahl (21) bei Bearbeiten des dem
Referenzring (46) zugekehrten vorderen
Bohrungsabschnitts einen Weg zur Innenwand (461) des
Referenzrings (46) und bei Bearbeiten des vom
Referenzring (46) abgekehrten hinteren
Bohrungsabschnitts einen kurzen Weg zur Bohrungswand
(111) der Bohrung (11) zurücklegt, daß aus der Änderung
der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für
den kurzen Weg zur Bohrungswand (111) ein Maß für die
Abnutzung des Arbeitsmittels (17) und aus der Änderung
der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für
den Weg zur Innenwand (461) des Referenzrings (46) das
scheinbare Abtragsmaß ermittelt wird und daß das
scheinbare Abtragsmaß nach Reduktion um das Maß der
Abnutzung des Arbeitsmittels (17) als richtiges Maß des
Abtrags in der Bohrung 811) ausgegeben wird.
9. Vorrichtung zum Messen des Abtrags bei der
Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück (10)
eingebrachten, insbesondere kleinen Bohrung (11), bei
der der Schaft (15) eines Bearbeitungswerkzeugs (14) in
einem rotierenden Werkzeughalter (16) und das Werkstück
(10) in einem rotierenden Werkstückhalter (12)
eingespannt ist und das Bearbeitungswerkzeug (14) mit
einem auf seinem Umfang angeordneten Arbeitsmittel (17)
durch einen radialen Vorschub des Werkzeughalters (16)
oder des Werkstückhalters (12) radial an die
Bohrungswand (111) der Bohrung (11) angedrückt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß ein einen Meß- und
Referenzstrahl (21, 22) aufweisendes Laser-
Interferometer (20) in dem Werkzeughalter (16) so
angeordnet ist, daß der Meßstrahl (21) im Schaft (15)
des Bearbeitungswerkzeugs (14) geführt ist und radial
aus dem Schaft (15) so austritt, daß er an der
Bohrungswand (111) der Bohrung (11) oder an der
Innenwand (461) eines mit dem Werkstück (10) drehfest
verbundenen, zu diesem koaxialen Referenzring (46)
reflektiert wird, und daß dem Laser-Interferometer (20)
eine Steuer- und Auswerteeinheit (31) nachgeschaltet
ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
das Laser-Interferometer (20) eine den Meßstrahl (21)
und eine den Referenzstrahl (22) führende Single-Mode-
Faser (23 bzw. 24), eine an dem einen Ende der einen
Faser (23) angekoppelte, lichtemittierende Laserdiode
(25) und eine an dem anderen Ende dieser Faser (23)
angekoppelt Linse (26) mit nachfolgendem Spiegelprisma
(27), an dem der Meßstrahl (21) zum radialen Austritt
aus dem Schaft (15) umgelenkt wird, eine an dem einen
Ende der anderen Faser (24) angekoppelte,
lichtempfangende Fotodiode (28) und eine das andere
Ende dieser Faser (24) verschließende Spiegelfläche (29)
aufweist und daß die beiden Fasern (23, 24) durch einen
Schmelzkoppler (30) so miteinander verbunden sind, daß
der von der Laserdiode (25) erzeugte Laserstrahl in den
in der einen Faser (23) verlaufenden Meßstrahl (21) und
den in der anderen Faser (24) verlaufenden
Referenzstrahl (22) aufgeteilt und der reflektierte
Meßstrahl (21) sowie der an der Spiegelfläche (29)
reflektierte Referenzstrahl (22) zur Fotodiode (28)
gelangen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Laserdiode (25) und der Schmelzkoppler (30) in
dem rotierenden Werkzeughalter (16) und die Fotodiode
(28) räumlich feststehend angeordnet ist, daß die zur
Fotodiode (28) führende Faser (24) mit ihrem Stirnende
(241) innerhalb der Stirnfläche (161) des
Werkzeughalters (16) in dessen Achse liegt und daß zur
optischen Ankopplung der Fotodiode (28) entweder die
Fotodiode (28) oder das Ende eines zur Fotodiode (28)
führenden Lichtleiters (47) dem Stirnende (241) der
Faser (24) mit Spaltabstand zum rotierenden
Werkzeughalter (16) fluchtend gegenüberliegt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die an der Fotodiode (28)
angeschlossene Steuer- und Auswerteeinheit (31) einen
Impulsgeber (32), der im Intensitätssignal der Fotodiode
(28) Nullstellen, Maxima oder Schwellendurchgänge durch
eine vorgegebene Schwelle detektiert und jeweils einen
Impuls ausgibt, einen die Impulse zählenden Zähler (33),
der von einer Triggereinheit (38) zurückgesetzt wird,
und einen Steuerrechner (35) aufweist, der einerseits
die Triggereinheit (38) so steuert, daß sie mit der
Drehwinkelstellung des Bearbeitungswerkzeugs (14)
synchronisiert ist und bei jeder Umdrehung des Werkzeugs
(14) oder einem Vielfachen davon einen Rücksetzimpuls an
den Zähler (33) gibt und andererseits aus den bei
Zählerrücksetzung vorhandenen Zählerständen ein Maß für
den Abtrag an der Bohrungswand (111) der Bohrung (11)
ermittelt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die an der Fotodiode (28)
angeschlossene Steuer- und Auswerteeinheit (31') eine
Abtasteinheit (37), die von einer Triggereinheit (38)
gesteuert ist und mit jedem Triggerimpuls einen
Abtastwert des Intensitätssignal der Fotodiode (28)
ausgibt, einen Steuerrechner (39), der einerseits die
Triggereinheit (38) mit der Drehwinkelstellung des
Bearbeitungswerkzeugs (14) so synchronisiert, daß sie
pro Werkzeugumdrehung zwei Triggerimpulse zu solchen
Zeitpunkten an die Abtasteinheit (37) legt, zu denen der
aus dem Schaft (15) des Bearbeitungswerkzeugs (14)
austretende Meßstrahl (21) signifikant unterschiedliche
Wege, vorzugsweise einen minimalen und einem maximalen
Weg, bis zur Bohrungswand (111) zurücklegt, und
andererseits aus der Änderung der Intensität oder der
Phasenlage der Abtastwerte für den vom Meßstrahl (21)
zurückgelegten größeren Weg ein scheinbares Abtragsmaß
und aus der Änderung der Intensität oder Phasenlage der
Abtastwerte für den vom Meßstrahl (21) zurückgelegten
kleineren Weg ein Maß für die Abnutzung des
Arbeitsmittels (17) bestimmt, und eine Subtrahierstufe
(40) aufweist, die aus dem ihr zugeführten scheinbaren
Abtragsmaß und aus dem ihr zugeführten Abnutzungsmaß das
richtige Maß des Abtrags an der Bohrungswand (111)
ausgibt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bearbeitungswerkzeug (14) zur
oszillierenden Axialbewegung angetrieben ist, daß die an
der Fotodiode (28) angeschlossene Steuer- und
Auswerteeinheit (31') eine Abtasteinheit (37), die von
einer Triggereinheit (38) gesteuert ist und mit jedem
Triggerimpuls einen Abtastwert des Intensitätssignals
der Fotodiode (28) ausgibt, einen Steuerrechner (39),
der einerseits die Triggereinheit (38) mit der
Drehwinkelstellung des Bearbeitungswerkzeugs (14) so
synchronisiert, daß sie pro Werkzeugumdrehung einen
Triggerimpuls zu solchen Zeitpunkten an die
Abtasteinheit legt, zu denen der aus dem Schaft
austretende Meßstrahl (21) bei momentaner Bearbeitung
des dem Referenzring (46) zugekehrten vorderen
Bohrungsabschnitts einen Weg zur Innenwand (461) des
Referenzrings (46) und bei momentaner Bearbeitung des
vom Referenzring (46) abgekehrten hinteren
Bohrungsabschnitts einen kurzen Weg zur Bohrungswand
(111) der Bohrung (11) zurücklegt, und andererseits aus
der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der
Abtastwerte für den vom Meßstrahl (21) zur Innenwand
(461) des Referenzrings (46) zurückgelegten Weg ein
scheinbares Abtragsmaß und aus der Änderung der
Intensität oder Phasenlage der Abtastwerte für den vom
Meßstrahl (21) zurückgelegten kurzen Weg zur
Bohrungswand (111) der Bohrung (11) ein Maß für die
Abnutzung des Arbeitsmittels (17) bestimmt und eine
Subtrahierstufe aufweist, die aus dem ihr zugeführten
scheinbaren Abtragsmaß und aus dem ihr zugeführten
Abnutzungsmaß das richtige Maß des Abtrags an der
Bohrungswand (111) ausgibt.
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