DE102010011470B9

DE102010011470B9 - Verfahren und Vorrichtung zur messungsunterstützten Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen sowie Messsystem

Info

Publication number: DE102010011470B9
Application number: DE102010011470.7A
Authority: DE
Inventors: Herbert Rauscher; Joachim Klima
Original assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Current assignee: Nagel Maschinen und Werkzeugfabrik GmbH
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: CN102248476A; US8961265B2; US20110223833A1; DE102010011470B4; DE102010011470A1

Abstract

Verfahren zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks, insbesondere zum Honen oder Finishen von Werkstückabschnitten mit im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmten Werkstückoberflächen, bei dem mindestens ein Feinbearbeitungswerkzeug die Werkstückoberfläche bearbeitet und mit Hilfe eines Messsystems eine Messung der Werkstückoberfläche durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Messposition Radarstrahlung auf die Werkstückoberfläche gerichtet wird und die von der Werkstückoberfläche reflektierte Radarstrahlung erfasst und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet wird, wobei die Werkstückoberfläche mit Hilfe mindestens eines an einem Feinbearbeitungswerkzeug angebrachten Radarsensors vermessen wird, so dass das Feinbearbeitungswerkzeug als Sensorträger für den Radarsensor dient.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Vorrichtung zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks nach dem Oberbegriff von Anspruch 14, sowie ein Messsystem, welches im Rahmen des Verfahrens und der Vorrichtung einsetzbar ist.
Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die messungsunterstützte Feinbearbeitung von Bohrungen durch Innenhonen oder die messungsunterstützte Feinbearbeitung von weitgehend rotationssymmetrisch gekrümmten Außenflächen von Werkstücken durch Bandfinishen bzw. Superfinishen oder Außenhonen, wobei im Zusammenhang mit der Feinbearbeitung eine Messung zur Bestimmung der Makroform und/oder Oberflächenstruktur der Werkstückoberfläche durchgeführt wird.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem vielschneidige Honwerkzeuge eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführen, die zu einer charakteristischen Oberflächenstruktur der bearbeiteten Innenfläche mit überkreuzten Bearbeitungsspuren führt. Durch Honen sind endbearbeitete Oberflächen herstellbar, die extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur genügen. Dementsprechend werden beispielsweise beim Motorenbau Zylinderlaufflächen, d. h. Innenflächen von Zylinderbohrungen in einem Motorblock oder in einer in einen Motorblock einzubauenden Zylinderhülse, und Lagerflächen für Wellen einer Honbearbeitung unterzogen. Bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen werden typischerweise mehrere unterschiedliche, aufeinander folgende Honoperationen durchgeführt, beispielsweise ein Vorhonen zur Erzeugung der gewünschten Makroform der Bohrung und ein Fertighonen, mit dem die am fertigen Werkstück benötigte Oberflächenstruktur erzeugt wird. Durch Messschritte kann der Bearbeitungserfolg überprüft werden.
Für die Feinbearbeitung rotationssymmetrisch gekrümmter Werkstückaußenflächen wird häufig das sogenannte Superfinishen oder Bandfinishen eingesetzt, bei dem bandförmiges Schleifmittel mit Hilfe geeignet geformter Andrückeinrichtungen an die zu bearbeitende Außenkontur gepresst wird. Durch kurzhubig oszillierende Axialbewegung des Schleifmittels in axialer Richtung in Verbindung mit einer Rotation des bearbeiteten Werkstückabschnittes um seine Achse wird die für den Materialabtrag erforderliche Bearbeitungsbewegung erzeugt. Gekrümmte Werkstückaußenflächen, beispielsweise an Kolbenstangen oder dergleichen, können auch durch Außenhonen bearbeitet werden. Auch bei gekrümmten Werkstückaußenflächen ist es häufig gewünscht, den Bearbeitungserfolg messtechnisch zu erfassen.
Beim Honen sind in der Regel sehr enge Toleranzvorgaben hinsichtlich der Makroform und der z. B. durch den Bohrungsdurchmesser quantifizierten Größe der Bohrung einzuhalten. Man setzt daher nach Möglichkeit integrierte Inprozess-Messsysteme ein, welche während des Honprozesses sowie nach einzelnen Honstufen den aktuellen Durchmesser der Bohrung (Ist-Durchmesser) ermitteln können. Dieser Wert kann dann zur Regelung des Honprozesses verwendet werden, z. B. im Rahmen einer Abschaltregelung.
Es sind auch Honvorrichtungen mit einer der Bearbeitungsstation nachgeschalteten Postprozess-Messstation bekannt. In einer Postprozess-Messstation kann der Bohrungsdurchmesser an mehreren Stellen in der Bohrung ermittelt und die so erhaltenen Informationen können miteinander verknüpft werden. So lässt sich neben der Durchmesserinformation auch Aufschluss über die Makroform der erzeugten Bohrung gewinnen. Postprozess-Messstationen dienen häufig primär zur Qualitätskontrolle, d. h. zur Unterscheidung in Gutteile und Schlechtteile. Es ist auch möglich, eine Postprozess-Messstation in den Regelkreis einer Honanlage einzubinden und die Messergebnisse zur Regelung vorgeschalteter Honstufen zu verwenden. Die DE 38 27 892 C2 zeigt eine Honvorrichtung mit Nachmessstation, bei der die Messergebnisse zur Regelung der radialen Zustellung der Honsteine bei einem Honwerkzeug mit großem radialen Verstellweg genutzt werden.
Die beschriebenen Messungen werden heutzutage üblicherweise mit pneumatischen Messsystemen durchgeführt, die nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip arbeiten. Bei diesen auch als „Luftmesssystem” bezeichneten Systemen strömt Druckluft aus Messdüsen in Richtung Bohrungswandung. Die Messdüsen sind im Falle von Inprozess-Messungen in das Honwerkzeug integriert, im Falle von Postprozess-Messungen können sie in einem speziellen Messdorn angebracht sein. Der sich ergebende Staudruck im Bereich der Messdüsen dient als Maß für den Abstand der Messdüse zur Bohrungswandung. Ein mit der Messdüse über eine Druckleitung verbundener Messwandler sorgt für eine Umwandlung des (pneumatischen) Drucksignals in ein elektrisch weiterverarbeitbares Spannungssignal. Mittels zweier diametral gegenüberliegender Messdüsen kann der Bohrungsdurchmesser ermittelt werden.
Pneumatische Messeinrichtungen ermöglichen ein berührungsloses, vom Werkstoff des Messobjekts unabhängiges Messen und im Rahmen ihres Messbereichs hohe Messgenauigkeiten in der Größenordnung weniger Mikrometer. Allerdings ist der Messbereich relativ beschränkt. Um aussagekräftige Messwerte aufnehmen zu können, müssen die Luftmessdüsen in einen gewissen, relativ eng begrenzten Abstandsbereich (typischerweise wenige 100 μm, z. B. ca. 200 μm) von der Bohrungswandung angeordnet sein. Die Breite des dann nutzbaren, linearen Messbereichs liegt typischerweise zwischen 100 μm und 200 μm. Die Wiederholgenauigkeit der aufgenommenen Messwerte liegt bei statischen Messungen (nicht-rotierendes Messwerkzeug) bei weniger als 1 μm. Da das pneumatische Messsystem eine gewisse Zeit zur Einstellung eines Druckgleichgewichtes im Messsystem benötigt, ist die Messdynamik begrenzt und es können in der Regel nur maximal 10 bis 20 Messwerte pro Sekunde ermittelt werden. Außerdem liegt zwischen der Luftmessdüse und dem Messwandler, der das Drucksignal in ein maschinenverarbeitbares elektrisches Signal umsetzt, eine Kette potentieller Störeinflüsse, die die Genauigkeit der Messung negativ beeinflussen können.
In der Dissertationsschrift „Inprozess-Geometriemessung beim Honen” von P. Uebelhör, in: Forschungsberichte aus dem Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Universität Karlsruhe (Hrsg. Prof. Dr.-Ing. H. Weule), Band 56 (1994), wurden andere berührungslos arbeitende Wegmesssysteme auf ihre Verwendbarkeit zur Inprozess-Geometriemessung beim Honen untersucht. Hierzu wurden Versuche mit einem Wirbelstrommesssystem und einem kapazitiven Messsystem durchgeführt.
Bei Feinbearbeitungsvorrichtungen zur Bearbeitung zylindrisch gekrümmter Werkstückaußenflächen werden taktile Messsysteme eingesetzt. Die DE 199 25 077 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Bandfinishen von gekrümmten Werkstückoberflächen, bei der das Schleifband mittels zweier Bearbeitungsschuhe auf die Oberfläche des Werkstücks aufgepresst wird. Gleichzeitig wird die zu bearbeitende Oberfläche mittels einer Inprozess-Messeinrichtung vermessen. Die beschriebene Inprozess-Messeinrichtung misst den Durchmesser des Werkstückes, indem zwei taktile Messspitzen auf der Oberfläche des Werkstücks an einander gegenüberfliegenden Stellen aufsitzen. Alternativen hierzu, nämlich eine optische, pneumatische oder hydraulische Messeinrichtung, sind zwar erwähnt, aber nicht im Detail beschrieben.
Das Patent US 3 605 909 A beschreibt eine Werkzeugmaschine zur Bearbeitung eines nahe der Werkzeugmaschine angeordneten Werkstücks. Die Werkzeugmaschine hat einen Werkzeugträger, der ein Werkzeug zur Bearbeitung des Werkzeuges trägt, sowie Einrichtungen zur Positionierung des Werkzeugträgers in einer bestimmten Position relativ zum Werkstück. Dem Werkzeugträger ist ein Oberflächensensor zugeordnet, um die Werkstückoberfläche zu erfassen, wenn sich das Werkzeug in der Nähe der Werkstückoberfläche befindet, und bei Erfassung der Oberfläche ein Signal zu erzeugen, sowie Einrichtungen zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, um das Werkzeug für die Bearbeitung in die Nähe der Oberfläche zu bringen. Bei einer Ausführungsform umfasst der Oberflächensensor einen am Werkzeugkopf montierten Radarsensor, der als Entfernungsmesssystem dazu dient, den Abstand zwischen Werkzeugkopf und Werkstückoberfläche zu bestimmen. Die Signale werden zu einer Steuereinrichtung übertragen, die die Annäherung des Werkzeugs an das Werkstück vor dem Beginn eines automatischen Bearbeitungsprogramms steuert.
Die DE 101 19 669 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Prüfen und/oder Erkennen von Prüfobjekten, insbesondere solche mit Gewinde, mit Hilfe eines miniaturisierten Radarsensors.
Die DE 10 2009 005 745 B4 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung der Lage eines Werkzeugs oder Maschinenelements, welches ein Radarsystem aufweist. Aus Signalen des Radarsystems wird ein Maß für die Lage eines Werkzeugs oder Maschinenelementes in Bezug auf eine Arbeitsspindel oder Werkzeugspannvorrichtung ermittelt.
Die DE 40 20 551 A1 beschreibt eine Werkzeugüberwachung, die aus einem zu überprüfenden Teil und einem Prüfgerät besteht. Hierbei wird ein Spindelkopf mit Prüfling nach Aufnahme eines Werkzeuges in Rotation versetzt und in die Antennenkeule eines Millimeterwellen-Radars gebracht. Das Radar tastet die spezifisch relevanten Teile des Werkzeugs ab und stellt fest, ob das Werkzeug vorhanden, der Werkzeugtyp richtig und das Werkzeug in Ordnung ist.
Die WO 03/027709 A1 beschreibt einen Nahbereichs-Radarsensor mit Phasendifferenz-Messung.
Die DE 198 13 041 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung rotierender Gegenstände, insbesondere von Werkzeugen wie Schleifscheiben, Bohrern, Fräsen, Sägen etc. oder von Werkstücken wie Drehteilen etc. oder Maschinenteilen, wie drehende Wellen oder dergleichen. Die Vorrichtung umfasst einen Sender und einen Empfänger zum Senden bzw. Empfangen elektromagnetischer Strahlung sowie eine Auswerteeinheit, die in der Lage ist, Frequenzdifferenzen zwischen einem Sendesignal und einem zugehörigen Empfangssignal zu detektieren. Die Frequenzen werden vorzugsweise im Radarwellen- bzw. Mikrowellenbereich gewählt.
Die DE 10 2007 045 381 A1 beschreibt ein System zur Erfassung und/oder Erkennung von Objekten bei roboterunterstützten Produktions- und Fertigungsprozessen, welches mindestens einen Radarsensor aufweist.
AUFGABE UND LÖSUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur messunterstützten Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen sowie ein im Rahmen des Verfahrens und der Vorrichtung verwendbares Messsystem bereitzustellen, die sich durch hohe Messdynamik und hohe Messgenauigkeit auszeichnen. Es soll eine Integration des Messsystems in ein Feinbearbeitungswerkzeug zur Durchführung von Inprozess-Messungen mit geringem konstruktiven Aufwand möglich sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, ein Messsystem mit den Merkmalen von Anspruch 11 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 14 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Die Messung der Werkstückoberfläche findet im Zusammenhang mit einer Feinbearbeitung der Werkstückoberfläche statt, bei der Material vom Werkstück z. B. durch Zerspanung abgetragen wird. Die Messung kann zeitlich vor der Feinbearbeitung, während der Feinbearbeitung und/oder nach der Feinbearbeitung durchgeführt werden. Bei der Messung wird an mindestens einer Messstelle Radarstrahlung auf die Werkstückoberfläche gerichtet und die von der Werkstückoberfläche reflektierte Radarstrahlung wird erfasst und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet. Es wird also zur Messung der Werkstückoberfläche mindestens eine Radarsensoranordnung mit mindestens einem Radarsensor verwendet.
Gemäß der beanspruchten Erfindung wird die Werkstückoberfläche dabei mit Hilfe mindestens eines an einem Feinbearbeitungswerkzeug angebrachten Radarsensors vermessen. Das Feinbearbeitungswerkzeug dient somit als Sensorträger für den Radarsensor, so dass die zugehörigen Manipulatoren für das Feinbearbeitungswerkzeug, beispielsweise die zum Tragen des Honwerkzeugs genutzte Honspindel oder ein Bearbeitungsarm einer Finishmaschine, und deren Steuerung dazu genutzt werden können, den Radarsensor in die Messposition in der Nähe der Werkstückoberfläche zu bringen, ggf. den Radarsensor relativ zur Werkstückoberfläche zu bewegen und nach Abschluss der Messung den Radarsensor wieder aus der Messposition herauszubewegen. Dadurch kann erheblicher konstruktiver Aufwand für eine gesonderte Messstation eingespart werden.
Der Begriff „Radarstrahlung” bezeichnet im Rahmen dieser Anmeldung technisch erzeugte elektromagnetische Wellen aus einem für die Radartechnik nutzbaren Frequenzbereich zwischen ca. 30 MHz und 300 GHz und typischen Wellenlängen aus dem Bereich zwischen ca. 1 mm und ca. 10 m. In diesem Frequenzbereich liegen insbesondere die Mikrowellen mit typischen Wellenlängen zwischen 1 mm und 1 m, was einem Frequenzbereich von etwa 300 MHz bis etwa 300 GHz entspricht.
Bei bevorzugten Ausführungsformen liegen die Frequenzen der Radarstrahlung in einem Bereich zwischen 20 GHz und 100 GHz, was typischen Wellenlängen im Bereich zwischen ca. 3 mm und 15 mm entspricht. Wellenlängen im Bereich einiger Millimeter liegen in der oder nur wenig oberhalb der Größenordnung typischer für die Messaufgabe angestrebter Messbereiche. Dadurch können insbesondere Abstandsmessungen mittels Auswertung von Phasenverschiebungen mit hoher Präzision bei gleichzeitig relativ geringem Auswertungsaufwand durchgeführt werden.
Es hat sich herausgestellt, dass Radarstrahlung, die herkömmlich vor allem zur Messung großer Entfernungen und zur Messung von Winkeln bzw. Richtungen zwischen einem Sender und einem weit entfernten Objekt genutzt wurde, für prozessnahe Messungen im Bereich der materialabtragenden Feinbearbeitung mit großem Vorteil genutzt werden kann. Der Begriff „Radarsensor” bezeichnet in diesem Zusammenhang eine elektrische betriebene technische Einrichtung, die mittels einer Sendeeinheit Radarstrahlung gebündelt als Primärsignal aussendet und das von der Werkstückoberfläche reflektierte Echo als Sekundärsignal mit Hilfe eines Empfangseinheit empfängt und für eine Auswertung aufbereitet. Es wird dabei nach Art von Primärradargeräten ausschließlich das passiv von der Werkstückoberfläche reflektierte Signal ausgewertet. Zur Umwandlung elektrischer Ausgangssignale in elektromagnetische Wellen des Primärsignals sowie zur Umwandlung der elektromagnetischen Wellen des Sekundärsignals in auswertbare elektrische Signale kann bei einem Radarsensor die gleiche Einrichtung, z. B. eine Sende/Empfangsantenne, genutzt werden.
Bei der Messung werden an die Eigenschaften des die Werkstückoberfläche bildenden Werkstückes keine besonderen Anforderungen gestellt. Das Material der Werkstückoberfläche kann elektrisch leitend oder nicht leitend sein, so dass insbesondere alle metallischen und keramischen Werkstoffe, aber auch auch Kunststoffe, gemessen werden können. Die Technik funktioniert berührungslos, so dass die bearbeitete Werkstückoberfläche durch die Messung nicht beeinträchtigt, z. B. verkratzt oder verschmutzt wird. Die Verwendung von Radarstrahlung ermöglicht hohe absolute Messgenauigkeiten im Bereich von Bruchteilen von Mikrometern, wobei gleichzeitig der nutzbare Messbereich im Vergleich dazu sehr groß sein und beispielsweise im Bereich von einem oder mehreren Millimetern liegen kann. Weiterhin können die Sensorabmessungen bei Radarsensoren relativ gering sein, so dass Radarsensoren ggf. für Inprozess-Messungen in ein Feinbearbeitungswerkzeug mit vertretbarem konstruktiven Aufwand unter voller Beibehaltung der Funktionalität des Feinbearbeitungswerkzeuges integriert werden können. Zudem erlaubt eine im Vergleich zum Luftmessen erheblich höhere Messdynamik (höhere Anzahl von Messungen pro Zeiteinheit) neue, für die Feinbearbeitung sehr nützliche Messmöglichkeiten.
Im Hinblick darauf, dass die meisten materialabtragenden Feinbearbeitungsprozesse unter Verwendung von flüssigen Fertigungshilfsstoffen, wie Honöl oder anderen Kühlschmierstoffen, durchgeführt werden, besteht ein weiterer wesentlicher Vorteil darin, dass Messungen mittels Radarstrahlung prinzipiell auch in Anwesenheit von Kühlschmierstoff durchgeführt werden können. Wenn die Wellenausbreitung in einer Flüssigkeit stattfindet, werden für die Wellenausbreitung relevante Eigenschaften der Flüssigkeit, z. B. die Permeabilität, bei der Auswertung und ggf. bei der Wahl der genutzten Wellenlängen berücksichtigt. Eine permanente Reinigung des Fertigungshilfsstoffs während des Bearbeitungsprozesses kann vorteilhaft sein, um definierte Verhältnisse für die Wellenausbreitung zu gewährleisten.
Der Informationsgehalt der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung (Sekundärsignal) wird analysiert, um einen oder mehrere Oberflächenmesswerte zu ermitteln. Ein Oberflächenmesswert kann beispielsweise Auskunft über makroskopischen Dimensionen und/oder die Makroform der Werkstückoberfläche geben. Bei Werkstückoberflächen, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmt sind (beispielsweise Innenflächen zylindrischer Bohrungen oder Außenflächen von zylindrischen Werkstückabschnitten an Wellen) kann der Oberflächenmesswert Informationen über den Durchmesser und/oder die Makroform der Oberfläche enthalten, um daraus beispielsweise Informationen über Maßgenauigkeit, Rundheit, Zylindrizität und/oder Profilierung in Axialrichtung (Konizität, Tonnenform, Balligkeit, Vorweite etc.) zu ermitteln. Ggf. können auch Informationen über die Lage der Symmetrieachse eines zylindrisch gekrümmten Werkstückabschnittes oder einer Bohrung in Bezug auf eine Solllage abgeleitet werden. Ein Oberflächenmesswert kann auch Informationen über die mikroskopische Oberflächenbeschaffenheit der Werkstückoberfläche repräsentieren, um beispielsweise Angaben über die Rauheit der Oberfläche und/oder über die Verteilung und/oder Ausrichtung von Bearbeitungsspuren des Feinbearbeitungsprozesses zu ermitteln.
Die von der Werkstückoberfläche reflektierte Radarstrahlung kann auf unterschiedliche Weise erfasst und ausgewertet werden. Bei manchen Ausführungsformen wird eine Phasenverschiebung zwischen dem emittierten Primärstrahlung und dem von der Werkstückoberfläche reflektierten Sekundärstrahlung ermittelt und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet (Phasenmessung). Hierbei ist es besonders günstig, wenn die effektive Wellenlänge derart an die Größenordnung eines typischen Messabstandes angepasst ist, dass die Phasenverschiebung geringer als eine Wellenlänge ist. Dann sind die Ergebnisse der Phasenmessung ohne großen Zusatzaufwand eindeutig interpretierbar. Die Wellenlänge in Luft kann z. B. zwischen 3 mm und 15 mm liegen, wenn typische Messabstände in der Größenordnung von 1 mm liegen. Es ist auch möglich, die Laufzeit der Radarstrahlung zwischen einem Emissionszeitpunkt und einem Empfangszeitpunkt zu ermitteln und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes auszuwerten (Laufzeitmessung).
Sowohl mit Phasenmessung als auch mit Laufzeitmessung kann z. B. der geometrische Abstand zwischen Radarsensor und Werkstückoberfläche präzise ermittelt werden, um beispielsweise Informationen über den Durchmesser einer durch die Werkstückoberfläche begrenzten Bohrung und/oder die Makroform der Werkstückoberfläche abzuleiten. Bei einer Messung einer im Wesentlichen zylindrisch gekrümmten Werkstückoberfläche (z. B. Bohrungsinnenfläche oder Außenfläche eines zylindrischen Werkstückabschnitts einer Welle o. dgl) kann reflektierte Radarstrahlung z. B. an mindestens einem Paar von diametral gegenüberliegenden Messstellen erfasst und zur Ermittlung eines Durchmesserwertes der durch die Werkstückoberfläche begrenzten Bohrung ausgewertet werden.
Es ist auch möglich, dass Messwerte für eine Vielzahl von Messstellen an der Werkstückoberfläche erfasst werden und aus den Messwerten mindestens ein die Makroform der Werkstückoberfläche repräsentierender Formmesswert ermittelt wird. Hierzu können beispielsweise die Messwerte von mindestens 10 oder mindestens 100 oder mindestens 1.000 oder mehr Messstellen gemeinsam ausgewertet werden. Um dies mit einer geringen Anzahl von beispielsweise einem oder zwei Radarsensoren zu erreichen, werden bei einer Ausführungsform das Werkstück und die Radarsensoranordnung für die Messung relativ zueinander bewegt und die Messwerte werden zeitlich aufeinander folgend für die Vielzahl von Messstellen erfasst. Beispielsweise können in Umfangsrichtung eines im Wesentlichen zylindrisch gekrümmten Werkstückabschnittes mindestens 50 oder mindestens 100 oder mindestens 200 oder mindestens 1.000 Messwerte aufgenommen werden, um eine genaue Information über die Rundheit oder Abweichung davon zu ermitteln. Werden solche Umfangsinformationen an mehreren axial beabstandeten Orten erfasst, so können Angaben zu Rundheit, Balligkeit, Tonnenform, Konizität etc. einer Bohrungsinnenfläche oder einer Werkstückaußenfläche ermittelt werden.
Mit Hilfe von Radarstrahlen können komplexe Formmessungen mit hoher Genauigkeit in relativ kurzer Zeit durchgeführt werden. Bei manchen Ausführungsformen wird hierzu die Radarstrahlung in Pulsen bei einer Abtastrate von mindestens 0.1 kHz auf die Werkstückoberfläche eingestrahlt, wobei die Abtastrate vorzugsweise mindestens 1 kHz beträgt. Auf diese Weise können pro Sekunde mindestens 100 oder mindestens 1.000 Messstellen vermessen werden, so dass innerhalb kürzester Zeit Komplettmessungen mit hoher Ortsauflösung möglich sind.
Die erzielbaren hohen Abtastraten ermöglichen weitere Optimierungen des Messprozesses. Beispielsweise sind statistische Verfahren der Fehlerrechnung und Fehlerkorrektur möglich. Bei manchen Verfahrensvarianten werden hierzu bei der Messung Messstellen mehrfach erfasst und aus den mehreren Messwerten für eine Messstelle wird ein statistisch bewerteter Messwert für die Messstelle errechnet. Wenn Messstellen mehrfach überfahren werden, so können zu jedem Flächensegment der Werkstückoberfläche mehrere Messwerte ermittelt werden. Durch rechnerische Plausibilisierung können Messfehler zu einem hohen Maße aussortiert werden, wodurch die Qualität des Messergebnisses und seine Zuverlässigkeit steigt. Daneben können Mittelwertberechnungen aus vielen Messwerten verlässlichere Ergebnisse liefern als bei wenigen Messwerten, so dass Konfidenzintervalle kleiner werden, was zusätzlich die Qualität der Messergebnisse verbessert. Verlässlichere Messwerte erfordern weniger Gegenkontrollen, was den Messaufwand und die vom Betreiber einer Feinbearbeitungsanlage vorzuhaltende personelle und technische Messkapazität im Vergleich zu herkömmlichen Meßsystemen verringert. Es können somit bessere Messergebnisse bei ggf. verringerten Kosten erzielt werden.
Bei manchen Ausführungsformen wird aus der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung mindestens ein die Oberflächenstruktur der Werkstückoberfläche repräsentierender Oberflächenstrukturmesswert ermittelt. Dieser kann beispielsweise ein Maß für die Rauheit der Werkstückoberfläche und/oder für die Orientierung von Bearbeitungsspuren odgl. sein.
Insbesondere für die Ermittlung von Oberflächenstrukturmesswerten und/oder von Informationen über die Oberflächenform haben sich Verfahrensvarianten bewährt, bei denen eine Intensität der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung ermittelt und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet wird. Dies kann qualitativ beispielsweise wie folgt verstanden werden. Wird ein Primärsignal im Wesentlichen senkrecht auf eine glatte Werkstückoberfläche eingestrahlt, so wird die Radarstrahlung im Wesentlichen direkt zum Radarsensor zurückreflektiert, so dass die Intensität des empfangenen Signals vergleichsweise relativ hoch sein kann. Ist dagegen die vermessene Werkstückoberfläche stark strukturiert (z. B. sehr rau), so wird die Radarstrahlung in einen größeren Raumwinkelbereich rückreflektiert, so dass im Vergleich zu einer glatten Werkstückoberfläche nur ein geringerer Anteil der Strahlungsintensität zurück zum Absendeort am Radarsensor gelangt. Über entsprechende Kalibrierung kann somit aus der Intensität der reflektierten Radarstrahlung auf die Mikrostruktur der Oberfläche rückgeschlossen werden.
Wird die Intensität der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radialstrahlung an mehreren Orten innerhalb eines ausgedehnten Erfassungsbereichs ortsauflösend erfasst, so können auch Informationen über die Winkelverteilung der reflektierten Radarstrahlung zweidimensional (in einer bestimmten Ebene) oder dreidimensional (im Raum) ermittelt werden. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, Häufungen von Rückstreuwinkeln zu ermitteln, woraus sich beispielsweise Rückschlüsse auf die Orientierung von Bearbeitungsspuren an der Werkstückoberfläche und/oder auf die makroskopische Orientierung der Oberfläche zum einfallenden Radarstrahl ziehen lassen.
Beim Honen wird normalerweise ein Kühlschmierstoff (Honöl oder Honemulsion) verwendet, der die Späneabfuhr unterstützt und den Bearbeitungsbereich kühlt. Kühlschmierstoffe werden auch bei der Außenfeinbearbeitung eingesetzt. Die Auswertung der Messergebnisse der Radarmessung ist in diesen Fällen in der Regel aufwendiger als bei Wellenausbreitung in Gas. Zur Vermeidung solcher Probleme ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, eine Reinigung des Messbereichs durch Freiblasen des Messbereichs mittels Luft oder mittels eines anderen geeigneten Reinigungsgases durchzuführen. Hierdurch kann der zu messende Bereich beispielsweise von Honspänen und Resten von Honöl zumindest so weit gereinigt werden, dass die Messung nicht durch derartige Rückstände beeinflusst wird. Hierzu können sich im Bereich eines Radarsensors eine oder mehrere Blasdüsen befinden, die an ein mit Druckluft versorgbares Fluidkanalsystem angeschlossen sind und die mittels Druckluft den Raum zwischen Sensor und Werkstückoberfläche freiblasen. Die Druckluft kann ggf. über diejenigen Leitungen zugeführt werden, die bei herkömmlichen Luftmesssystemen genutzt werden.
Die Messung wird vorzugsweise als Inprozess-Messung durchgeführt. Dies bedeutet insbesondere, dass die Messung der Werkstückoberfläche unmittelbar nach einem vorausgegangenen Feinbearbeitungsschritt und/oder unmittelbar vor einem nachfolgenden Feinbearbeitungsschritt und/oder während der Feinbearbeitung an der Werkstückoberfläche an dem in einer Bearbeitungs-Spannvorrichtung eingespannten Werkstück durchgeführt wird. Ein Transport zu einer gesonderten Messstation entfällt damit.
Vorzugsweise werden die Messergebnisse unmittelbar zur Prozessregelung über die Maschinensteuerung der Feinbearbeitungsanlage genutzt. Hierzu ist bei einer Variante vorgesehen, dass die Messung während und/oder nach einem Feinbearbeitungsschritt durchgeführt wird, eine die aktuelle Beschaffenheit (insbesondere Makroform, Durchmesser und/oder Oberflächenbeschaffenheit) der Werkstückoberfläche repräsentierender Oberflächen-Istwert ermittelt wird, und eine Differenz zwischen dem Oberflächen-Istwert und einem korrespondierendem Oberflächen-Sollwert zur Ansteuerung des Feinbearbeitungswerkzeuges verarbeitet wird. Durch diesen Regelkreis ist eine verbesserte Genauigkeit des Feinbearbeitungsprozesses erzielbar und die Ausbeute an Gutteilen wird erheblich erhöht.
Die Erfindung betrifft auch ein zur Durchführung des in dieser Anmeldung beschriebenen Verfahrens geeignetes Messsystem zur Messung einer feinbearbeiteten Werkstückoberfläche eines Werkstücks. Das Messsystem weist mindestens eine Radarsensoranordnung mit mindestens einem Radarsensor auf.
Die Erfindung betrifft auch eine Feinbearbeitungsvorrichtung, der mindestens ein erfindungsgemäßes Messsystem zugeordnet ist. Das Messsystem kann z. B. in eine Honmaschine oder in eine Finishmaschine integriert sein. Es ist auch möglich, das Messsystem als eine von einer Bearbeitungsmaschine gesonderte Messstation auszulegen.
Bei der beanspruchten Erfindung ist das Messsystem als Inprozess-Messsystem ausgelegt. Hierzu ist vorgesehen, dass der Radarsensor an dem Feinbearbeitungswerkzeug der Vorrichtung angebracht ist, so dass das Feinbearbeitungswerkzeug als Sensorträger für den Radarsensor dient. Bei einer Honvorrichtung kann mindestens ein Radarsensor an einem Honwerkzeug angebracht sein. Bei einer Finishvorrichtung kann ein Radarsensor an einem Finisharm angebracht sein, der dazu vorgesehen ist, abrasives Schleifmittel (z. B. Schleifband oder Honstein) mit Hilfe einer Andrückeinrichtung an die zu bearbeitende Außenfläche eines Werkstückabschnittes anzudrücken.
Das Messsystem kann beispielsweise als Durchmessermeßsystem, Formmeßsystem und/oder Rauheitsmeßsystem konfiguriert sein. Entsprechend der Messaufgabe kann die Radarsensoranordnung einen oder mehrere Radarsensoren aufweisen. Deren räumliche Anordnung sowie die Auswertung der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung bestimmen, welche Oberflächenmesswerte erfasst und welche Informationen über die gemessene Werkstückoberfläche daraus abgeleitet werden.
Eine Auswerteeinrichtung des Messsystems kann mit einer Steuereinrichtung der Feinbearbeitungsmaschine signalübertragend verbunden bzw. Teil dieser Steuereinrichtung sein und gemeinsam mit dieser eine Regeleinrichtung zur Steuerung der Bearbeitung auf Basis von mit dem Messsystem erhaltenen Messdaten (Oberflächenmesswerten) bilden. Beispielsweise kann die Bearbeitungszeit und/oder der Anpressdruck von Schneidstoff (z. B. Honsteinen oder Schleifband) auf Basis von Oberflächenmesswerten des Messsystems gesteuert werden, um auch bei größeren Serien zu bearbeitender Werkstücke enge Fertigungstoleranzen einhalten zu können.
Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Honmaschine zur Honbearbeitung zylindrischer Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken mit einem integrierten Messsystem, welches mehrere in das Honwerkzeug integrierte Radarsensoren aufweist;
2 zeigt schematisch verschiedene Anbringungsmöglichkeiten von Radarsensoren an einem Innenhonwerkzeug;
3 bis 5 zeigen schematisch unterschiedliche Messsituationen zur Erläuterung einiger Grundprinzipien bei der Verwendung von Radarsensoren;
6 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Bandfinishmaschine zur Finishbearbeitung zylindrischer Werkstückaußenflächen mit einem integrierten Radar-Messsystem.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zunächst werden Ausführungsbeispiele der Erfindung am Beispiel des Feinbearbeitungsverfahrens „Honen” erläutert.
In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer als Vertikal-Honmaschine ausgelegten Honmaschine 100 gezeigt, die z. B. für die Honbearbeitung im Wesentlichen zylindrischer Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken für den Motorenbau genutzt werden kann. Die mehrspindlige Honmaschine 100 hat mehrere Honeinheiten, von denen in 1 nur eine Honeinheit 110 gezeigt ist. Die Honeinheit 110 umfasst eine stationäre Baugruppe und eine relativ zur stationären Baugruppe bewegliche Baugruppe. Zur beweglichen Baugruppe gehören eine Honspindel 132, die mit vertikal verlaufender Spindelachse 133 montiert ist, sowie eine Antriebsstange 135, die mit Hilfe eines spindelseitigen Gelenks 136 an das untere, freie Ende der Honspindel 132 angekoppelt ist. Am unteren, freien Ende der Antriebsstange ist mit Hilfe eines mehrachsigen Gelenks 137 ein Honwerkzeug 140 begrenzt beweglich angekoppelt. Mit Hilfe eines Spindelantriebs 122 ist die Honspindel um ihre Spindelachse 133 drehbar und kann zudem in eine axiale Hin- und Herbewegung versetzt werden, um die für das Honen typische Überlagerung einer Rotationsbewegung mit einer axial oszillierenden Bewegung zu erzeugen. Mit Hilfe eines nicht dargestellten elektromechanischen und/oder hydraulischen Zustellsystems (vgl. 2) können die am Honwerkzeug 140 angeordneten Honleisten 142 in Radialrichtung zugestellt bzw. zurückgezogen werden, um den für die Bearbeitung gewünschten wirksamen Durchmesser des Honwerkzeuges einzustellen. Der Spindelantrieb 122 und das Zustellsystem werden mit Hilfe einer Steuereinheit 125 der Honmaschine angesteuert.
1 zeigt die Honmaschine bei der Bearbeitung eines Werkstückes 160, bei dem es sich beispielsweise um einen Motorblock für eine Brennkraftmaschine oder um eine in einen Motorblock einzubauende Zylinderlaufbuchse handeln kann. Das Werkstück ist in eine Spannvorrichtung 126 der Honmaschine eingespannt und befindet sich in der Bearbeitungsposition. Das Honwerkzeug ist in eine im Wesentlichen zylindrische Bohrung 161 des Werkstücks eingeführt, um mit Hilfe eines geeignet ausgelegten Honprozesses die Makroform der Bohrung mit vorgegebenem Durchmesser sowie eine gewünschte Oberflächenstruktur der im Wesentlichen konkav zylindrisch gekrümmten Bohrungsinnenfläche 165 zu erzielen. Diese ist in diesem Beispiel die mittels des Feinbearbeitungsprozesses Innenhonen zu bearbeitende Werkstückoberfläche.
Die Honmaschine hat für jede ihrer Honeinheiten ein Messsystem 150, welches es erlaubt, während der Honbearbeitung im Wege einer „Inprozessmessung” den aktuellen Durchmesser der Bohrung sowie andere den aktuellen Zustand der bearbeiteten Bohrung und der Bohrungsinnenfläche charakterisierende Oberflächenmesswerte zu ermitteln, entsprechende Signale an die Steuerung 125 der Honanlage zu übertragen und auf diese Weise eine Prozessregelung des Honprozesses zu ermöglichen. Mit Hilfe einer Inprozessmessung kann z. B. das aktuelle Durchmessermaß der Bohrung während des Honens ständig überwacht werden. Wenn das angestrebte Sollmaß erreicht ist, kann die Bearbeitung über die Steuereinheit 125 der Honmaschine beendet werden.
Das im Folgenden auch als „Radar-Messsystem” bezeichnete Messsystem 150 umfasst ein Paar von elektrisch ansteuerbaren Radarsensoren 152, 153, die am Honwerkzeug 140 diametral gegenüberliegend zwischen den in Umfangsrichtung beabstandeten Honleisten 142 im axialen Arbeitsbereich der Honleisten angeordnet sind.
Von jedem der Radarsensoren führt eine elektrische Messleitung über eine erste Schnittstelle 156 zwischen Honwerkzeug und Antriebsstange 135 und eine zweite Schnittstelle 157 zwischen Honspindel 132 und dem stationären Teil der Honmaschine zur Steuereinheit 125 der Honmaschine. Die Steuereinheit 125 umfasst eine Auswerteeinrichtung für die Messsignale, so dass die von den Radarsensoren gelieferten Messsignale zur Steuerung des Honprozesses verarbeitet werden können.
Die erste Schnittstelle 156 kann z. B. eine Steckverbindung aufweisen, die sowohl die elektrische Leistung zur Versorgung der Radarsensoren als auch Messignale übertragen kann. Die zweite Schnittstelle hat einen induktiven Übertrager 157, der eine an die Steuereinheit 125 angeschlossene stationäre Spulenanordnung und eine mit geringem Abstand davon angebrachte, um die Honspindel 132 herumgewickelte Spulenanordnung aufweist. Die Spulenanordnungen dienen einerseits der kontaktlosen Übertragung der in analoger oder digitaler Form vorliegenden Messsignale zwischen den Radarsensoren 152, 153 und der Steuereinheit 125, und andererseits zur Übertragung der elektrischen Versorgungsleistung für die Radarsensoren.
Die Honmaschine hat eine integrierte pneumatische Reinigungseinrichtung 170 zur Reinigung des von den Radarsensoren genutzten Messbereichs durch Freiblasen des Messbereichs mittels Druckluft. Hierzu ist in der stationären Baugruppe der Honmaschine oder außerhalb davon ein mit einem Verdichter ausgestatteter Drucklufterzeuger 171 angebracht, von dem Druckluft über eine Druckleitung 172 zu mehreren im Honwerkzeug in der Nähe der Radarsensoren angebrachten Blasdüsen 173 geleitet wird. Die Druckleitung umfasst einen beispielsweise durch einen flexiblen Schlauch gebildeten stationären Druckleitungsabschnitt 174, einen zwischen der stationären Baugruppe und der beweglichen Baugruppe angeordneten pneumatischen Rotierübertrager 175, der häufig auch als Luftverteiler bezeichnet wird, und mehrere vom Luftverteiler zu den Blasdüsen führende Druckluftkanäle, die in 1 nur schematisch dargestellt sind. Für die pneumatische Reinigungseinrichtung können diejenigen Einrichtungen genutzt werden, die bei herkömmlichen Honmaschinen im Rahmen eines pneumatischen Messsystems genutzt werden. Sie werden daher hier nicht näher beschrieben.
Bei der Ausführungsform in 1 sind zwei Radarsensoren 152, 153 an diametral gegenüberliegenden Stellen im Werkzeugkörper des Honwerkzeugs 140 angebracht. 2 zeigt schematisch verschiedene Anbringungsmöglichkeiten von Radarsensoren an einem Honwerkzeug 240. Das am unteren Ende einer Antriebsstange 235 starr oder gelenkig angebrachte Honwerkzeug hat einen im Wesentlichen zylindrischen Werkzeugkörper 241, an dessen Umfang vier um jeweils 90° umfangversetzte, radial zustellbare Honleisten 242 angebracht sind. Die mit abrasivem Schneidbelag versehenen Honleisten sitzen auf metallischen Honleistenträgern, die in entsprechenden Aussparungen des Werkzeugkörpers 241 radial beweglich gelagert sind. Die nach innen gerichteten Rückseiten der Leistenträger sind angeschrägt und arbeiten nach Art eines Keilantriebs mit der konischen Außenfläche eines Zustellkonus 244 zusammen, der am unteren Ende einer in der Antriebsstange axial beweglich geführten Zustellstange 245 befestigt ist. Jeweils mittig zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Honleisten sind am Außenumfang des Werkzeugkörpers axial langgestreckte Führungsleisten 247 befestigt, deren dem Werkstück zugewandte Außenflächen nicht mit Schneidbelag belegt, sondern relativ glatt und damit nicht schneidend sind. Honwerkzeuge mit einem derartigen Grundaufbau sind an sich bekannt und werden daher nicht näher beschrieben.
Eine Besonderheit dieses Honwerkzeuges besteht darin, dass es als Sensorträger für Radarsensoren eines Radar-Messsystems verwendet wird. In einem freien Winkelsegment der Außenseite des Werkzeugkörpers 241 ist hierzu eine rechteckförmige Aussparung vorgesehen, in die ein Radarsensor 252 eingepasst ist. Im Beispielsfall werden relativ klein bauende Radarsensoren mit ca. 5·12·30 mm Größe verwendet. Alternativ zu einer Anordnung des Radarsensors auf einem freien Werkzeugsegment, oder zusätzlich dazu, kann ein Radarsensor auch in eine Führungsleiste integriert sein, wie dies beispielhaft am Radarsensor 253 gezeigt ist. Hierzu hat eine Führungsleiste eine entsprechende Aussparung. Diametral gegenüberliegende Orte können ebenfalls einen Radarsensor tragen. Über den Umfang und/oder über die Länge des Werkzeuges können zwei oder mehr Radarsensoren gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt sein.
Die Radarsensoren des Beispielsfalls sind in Axialrichtung gesehen etwa auf halber Höhe der Führungsleisten bzw. Honleisten angebracht. In Umfangsrichtung neben den Radarsensoren sind am Werkzeugkörper zwei übereinander angeordnete Blasdüsen 273 vorgesehen, die Teil einer pneumatischen Reinigungseinrichtung sind, mit der von den Radarsensoren erfasste Messbereich bei Drehung des Honwerkzeuges freigeblasen wird, um eine durch Honöl bzw. Kühlschmierstoff, Späne und dergleichen weitgehend unbeeinträchtige Messung zu ermöglichen. Eine oder mehrere Blasdüsen, wie beispielsweise Blasdüse 273', können auch in Axialrichtung oberhalb und/oder unterhalb der Radarsensoren vorgesehen sein.
Ein großer Vorteil der Verwendung von Radarsensoren bei der Messung von Werkstückoberflächen im Rahmen einer Feinbearbeitung besteht darin, dass mit der Radartechnik im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren, beispielsweise Luftmessung, die Radarsensoren mit einem relativ großen Messabstand von der zu messenden Oberfläche angeordnet werden können und dass exakte Messwerte aus einem relativ großen Messbereich erfasst werden können. In der Teilzeichnung von 1 ist der Radarsensor 152 in einem Messabstand A von bis zu 10 mm von der Bohrungswandung (Bohrungsinnenfläche 165) angeordnet. Die Breite B des Messbereichs, innerhalb dessen Messwerte mit Messgenauigkeiten von weniger als 1 μm erreicht werden können, beträgt im Beispielsfall bis zu 2 mm. Dies ist eine deutliche Ausweitung gegenüber dem Stand der Technik. Der große Messabstand und der große Messbereich erlauben Standardisierungen in der Werkzeugkonstruktion in dem Sinne, dass beispielsweise der gleiche Werkzeuggrundkörper für einen größeren Durchmesserbereich als bisher benutzt werden kann. Hierdurch können unter anderem Kosten eingespart werden. Außerdem kann ein solches Messsystem auch in Honstufen eingesetzt werden, bei denen sehr viel Material abgetragen wird und bei denen bei Verwendung herkömmlicher Messsysteme die derzeit möglichen Messbereiche überschritten würden. Beispielhaft können hier bestimmte Vorhonoperationen genannt werden oder das sogenannte „Schrupphonen”, bei dem Spanleistungen erzielbar sind, die mit den Spanleistungen konventioneller Feinbohrverfahren vergleichbar sind, wobei jedoch aufgrund der kontinuierlichen Selbstschärfung der Schneidekörper höhere Standmengen erzielbar sind (vergleiche z. B. Fachartikel „Spanende Bearbeitung von Gusseisen mit Vermikulargraphit” von J. Schmid in: konstruieren + gießen 22 (1997) Nr. 4, Seiten 22 bis 38). Typische Abträge beim Schrupphonen können z. B. im Bereich zwischen 0,3 und 0,5 mm bezogen auf den Durchmesser der Bohrung liegen. Auch bei der sogenannten Leistungsfeinhonbearbeitung, die in der europäischen Patentanmeldung EP 1 932 620 A1 der Anmelderin beschrieben ist, können Radarmesssysteme mit besonderem Vorteil genutzt werden.
Die Wiederholgenauigkeit der aufgenommenen Messwerte liegt (in Abhängigkeit von der Oberflächengenauigkeit und bei statischer Messung, d. h. bei nicht drehendem Werkzeug) bei weniger als 0,5 μm. Bei dynamischer Messung, d. h. bei sich drehendem Werkzeug, ist der aufgenommene Messwert ein Mittelwert der Entfernung zwischen Radarsensor und den überstrichenen Bereichen.
Eine im Vergleich zum Luftmessen wesentlich höhere Abtastrate, die beispielsweise mehr als 100 oder mehr als 1000 Messungen pro Sekunde erlaubt, eröffnet mehrere neue Möglichkeiten bei der messunterstützten Feinbearbeitung. Ein Beispiel aus dem Bereich des Honens soll dies erläutern. Die typische Spindeldrehzahl der Honspindel beim Honen liegt zurzeit etwa im Bereich zwischen 30 Umin^–1 und 300 Umin^–1 mit Bestrebungen, die obere Grenze nach oben auszuweiten. Bei einer Abtastrate von 1 kHz können dabei bei einer einzigen Spindelumdrehung zwischen 200 und 2.000 Messwerte im Umfang der Bohrung aufgenommen werden. Selbst bei höheren Drehzahlen, beispielsweise bei 1.000 Umin^–1 können pro Umdrehung immer noch 60 Messwerte aufgenommen werden, so dass die Messwerte nur 6° in Umfangsrichtung auseinander liegen. Diese hohe Winkelauflösung reicht aus, nicht nur den Durchmesser der Bohrung, sondern auch die Rundheit der Bohrung über verschiedenen gemessene Durchmesser zu ermitteln.
Neben der Drehbewegung führt ein Honwerkzeug eine zusätzliche axiale Hubbewegung aus. Bei Verrechnung der entsprechenden Werkzeugpositionen in axialer Richtung sowie des Drehwinkels mit erfassten Durchmessermesswerten kann auch die makroskopische Form der Bohrung errechnet werden. Während einer typischen Honzeit einer Honstufe im Bereich von beispielsweise 20 Sekunden können demnach bei einer Abtastrate von 1 kHz ca. 20.000 Messwerte generiert werden. Damit ist es möglich, die Form der gehonten Bohrung während des Honprozesses mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, so dass insbesondere auch die zeitliche Entwicklung der Form der bearbeiteten Bohrung erfasst werden kann.
Diese Genauigkeit übersteigt die Genauigkeit der heutigen Postprozessmessstationen, die in eine Honlinie integriert sind, bei weitem. Derartige Verfahrensvarianten können somit Postprozessmessungen ersetzen und damit erhebliche Kosten einsparen. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante findet dementsprechend nur eine Inprozess-Messung, aber keine Nachmessung nach Abschluss der Feinbearbeitung statt. Selbst wenn vorgesehen ist, dass das Meßsystem jeweils vor der Messung einer Bohrung kalibriert wird, ist dies aufgrund der Schnelligkeit des Meßsystems ohne unakzeptablen Anstieg der Gesamtprozesszeit möglich.
Die Radartechnik erlaubt es, aus dem von der Werkstückoberfläche reflektierten Sekundärsignal zahlreiche Informationen über Ort und Orientierung der Werkstückoberfläche sowie gegebenenfalls über ihre Oberflächenstruktur zu ermitteln. Zur Erläuterung einiger Grundprinzipien sind in den 3 bis 5 unterschiedliche Messsituationen schematisch dargestellt. In den Figuren ist jeweils links ein Radarsensor und rechts ein Ausschnitt eines Werkstücks mit einer dem Radarsensor zugewandter Werkstückoberfläche gezeigt. Die zwischen Radarsensor und Werkstückoberfläche verlaufenden primären und sekundären Radarsignale sind durch Wellenzüge und Pfeile für die Ausbreitungsrichtung charakterisiert.
Der Radarsensor 352 in 3 erzeugt einen primären Radarstrahl, der im Wesentlichen senkrecht auf die relativ glatte Werkstückoberfläche 365 des Werkstücks 360 trifft und von dieser mehr oder weniger parallel zur Einfallsrichtung zurück zum Radarsensor reflektiert wird. Zur Distanzbestimmung, d. h. zur Bestimmung des freien Abstandes zwischen dem Radarsensor und der Werkstückoberfläche, wird mit Hilfe der Auswerteeinrichtung die Phasenverschiebung zwischen den vom Radarsensor zur Werkstückoberfläche verlaufenden Primärwellen und den von dieser zurück zum Radarsensor reflektierten Sekundärwellen erfasst und ausgewertet. In der Konfiguration von 1 mit den zwei diametral gegenüberliegenden und zeitgleich betriebenen Radarsensoren 152, 153 kann daraus bei bekanntem diametralem Abstand der Radarsensoren innerhalb des Honwerkzeuges und den an gegenüberliegenden Stellen stattfindenden Distanzmessungen der Bohrungsdurchmesser in der jeweiligen Richtung (parallel zur Verbindungslinie zwischen den Radarsensoren) an jeweiligen axialen Ort der Bohrung bestimmt werden.
Im Beispielsfall von 3 reflektiert die relativ glatte Bohrungswand die Radarstrahlung im Wesentlichen gegenparallel zum eintreffenden Radarstrahl in Richtung Radarsensor zurück, so dass nur relativ wenig Streuverluste vorkommen und am Radarsensor ein relativ starkes Sekundärsignal ankommt. Durch den Vergleich der Situationen in 3 und 4 wird ersichtlich, dass aus der relativen Intensität der am Radarsensor empfangenen, rückflektierenden sekundären Signale auch Aussagen über die Oberflächenrauhigkeit der Werkstückoberfläche möglich sind. Im Beispiel vom 4 steht der Radarsensor 452 eine relativ rauen Werkstückoberfläche 465 des Werkstücks 460 gegenüber. Der Radarsensor 452 sei baugleich mit dem Radarsensor 352 aus 3. Auch der Radarsensor 452 sendet primäre Radarstrahlung im Wesentlichen senkrecht auf die Werkstückoberfläche, d. h. im Wesentlichen parallel zur Werkstücknormalen der makroskopisch betrachteten Werkstückoberfläche, aus. Aufgrund der im Vergleich zur 3 größeren Oberflächenrauhigkeit werden jedoch größere Anteile der eintreffenden Primärstrahlung nicht zum Radarsensor zurückreflektiert, sondern in Raumwinkelbereiche außerhalb des Erfassungsbereichs des Radarsensors. Dadurch ist, (bei gleicher Stärke des auf die Werkstückoberfläche gerichteten Primärsignals) die Intensität des rückreflektierten Sekundärsignals im Vergleich zur 3 deutlich schwächer als bei der glatteren Werkstückwandung in 3. Bei geeigneter Kalibrierung der Messsensoren kann auf diese Weise aus der Intensität des Sekundärsignals auf die Rauhigkeit der Werkstückoberfläche geschlossen werden.
In den 3 und 4 erfassen die Radarsensoren die vom Werkstück rückreflektierte Radarstrahlung integral, ohne örtlich oder im Winkelraum zu differenzieren. Im Unterschied dazu ist der Radarsensor 552 in 5 für eine ortsauflösende Erfassung der Intensität und/oder der Laufzeit der von der Werkstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung ausgelegt. Der Radarsensor 552 hat eine Sendeeinheit und mehrere mit Abstand nebeneinander angeordnete Empfangseinheiten 552A, 552B und 552C. Das Werkstück 560 hat eine nominell zylindrische Bohrung, deren Bohrungsinnenfläche 565 gemessen werden soll. Das vom Radarsensor abgegebene Primärsignal verläuft in Radialrichtung zur makroskopischen Bohrungsachse zur Werkstückoberfläche und wird von dieser entsprechend ihrer Oberflächenrauhigkeit und ihrer generellen Orientierung reflektiert. In dem gezeigten Axialabschnitt steht der Abschnitt der Bohrungswandung jedoch nicht senkrecht zur Radialrichtung, sondern verläuft schräg hierzu, so dass die Bohrungsform zumindest in dem gezeigten Bohrungsabschnitt nicht kreiszylindrisch, sondern beispielsweise konisch ist. Dies macht sich im reflektierten Radarsignal dadurch bemerkbar, dass nicht im Wesentlichen die gesamte Intensität der eingestrahlten Radarstrahlung in Radialrichtung zurück zum Sensor 552A gelangt, sondern zu einem großen Anteil schräg in Richtung eines weiter außen liegenden Teils 552C des Radarsensors rückreflektiert wird. Durch ortsauflösende Erfassung der Intensität der Radarstrahlung an der Sensoranordnung kann dabei ermittelt werden, in welche Raumwinkelbereiche besonders viel Strahlung zurückreflektiert wird. Aus dieser Information kann beispielsweise auf die gezeigte Schrägstellung der Bohrungswand und damit auf eine wertvolle Forminformation über die Makroform der Bohrung rückgeschlossen werden.
Die Ausführungsbeispiele der 1 und 2 orientieren sich im Wesentlichen an Verfahren des Innenhonens. Grundsätzlich ist die beschriebene Technologie auch bei anderen Feinbearbeitungsverfahren, insbesondere beim Bandfinishen oder beim Außenhonen von Werkstückaußenflächen anwendbar. Da beim Finishen bzw. Außenhonen in der Regel weniger zerspant wird als beim Innenhonen, können die oben beispielhaft für das Innenhonen angegebenen Messbereiche verkleinert werden, so dass beispielsweise die Wiederholgenauigkeit der Messung in Bereiche von 0,2 μm oder weniger verbessert werden kann. Die Integration der beschriebenen Radar-Messtechnik in bereits vorhandene Maschinenkonzepte kann in der Regel ohne größere Modifikationen an den Werkzeugen umgesetzt werden, da die Radarsensoren bei Bedarf mit sehr geringen Außenabmessungen aufgebaut werden können.
6 zeigt als Beispiel schematisch einen Ausschnitt einer als Bandfinishmaschine ausgelegten Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Umfangsflächen im Wesentlichen zylindrischer Werkstückabschnitte an Werkstücken, wie Kurbelwellen oder Nockenwellen. Das Werkstück 660, im Beispielsfall eine Kurbelwelle, wird von einer nicht gezeigten Dreheinrichtung um seine Hauptachse 667 (Werkstückachse) gedreht und gleichzeitig durch eine Oszillationseinrichtung in eine axial kurzhubig schwingende Bewegung mit Hüben in der Größenordnung einiger Millimeter versetzt. Die Bandfinishvorrichtung hat mehrere nebeneinander angeordnete Finisheinheiten, die an einem gemeinsamen Maschinengestell angeordnet sind. Die Einheiten sind jeweils sehr schmal, um gleichzeitig nebeneinander liegende Werkstückabschnitte zu bearbeiten. Die gezeigte Vorrichtung hat mehrere Finisheinheiten zur Bearbeitung von Hauptlagern 661 (wie dargestellt) und dazwischen liegende Finisheinheiten zur Bearbeitung von auf Orbitalbahnen um die Hauptachse 667 herum verlaufenden Hublagern, an denen im Motorenbetrieb die Pleuel angreifen.
Die ausschnittweise gezeigte Finisheinheit 610 in Form einer zweiarmigen Bearbeitungszange ist dafür vorgesehen, die im Wesentlichen zylindrische Umfangsfläche 665 des Hauptlagers zu bearbeiten. Die Finisheinheit 610 hat zwei Bearbeitungsarme (Finisharme, Druckarme) 615A, 615B, die um parallele Schwenklager derart schwenkbar gelagert sind, dass ihre freien Enden nach innen in Richtung auf das zu bearbeitende Werkstück bzw. nach außen vom Werkstück weg verschwenkbar sind. Im Beispielsfall sind die Bearbeitungsarme über einen hydraulischen und pneumatischen Krafterzeuger 616 miteinander verbunden, der es erlaubt, die Bearbeitungskraft mit einer vorbestimmten Kraft F (Pfeile) nach innen gegen das Werkstück zu drücken.
Eine nicht im Detail gezeigte Finishband-Fördereinrichtung stellt ein Finishband 620 bereit, das von einer nicht gezeigten Vorratsrolle in Richtung der Eintrittsseite der Finisheinheit abgezogen und nach Benutzung von der Austrittsseite der Finisheinheit in Austrittsrichtung zu einer Aufwickelrolle für verbrauchtes Finishband geführt wird. Das Finishband kann jede an sich bekannte Bauart haben, beispielsweise kann es einen weitgehend inkompressiblen, dehnungsarmen Polyesterfilm haben, der an seiner Vorderseite 621 mit körnigem Schneidmittel besetzt ist.
An jedem der Bearbeitungsarme 615A, 615B ist im Bereich des freien Endes auf der dem Werkstück zugewandten Seite eine auswechselbare Andrückeinrichtung 650A, 650B befestigt, die jeweils dafür ausgelegt ist, das mit Schneidmittel besetzte Finishband an die Werkstückoberfläche so anzudrücken, so dass das Finishband an die Werkstückaußenfläche über einen Umschlingungswinkel W mit einer für den Bearbeitungsvorgang vorgesehenen Andrückkraft angedrückt wird. Die beiden in 6 gezeigten Andrückeinrichtungen sind im Wesentlichen zueinander identisch ausgebildet und spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet, um diametral gegenüberliegende Bereiche des sich drehenden Werkstücks zu bearbeiten. Dabei ruht das Finishband während der Bearbeitung relativ zu den Andrückeinrichtungen, so dass die für den Materialabtrag erforderliche Schnittgeschwindigkeit ausschließlich durch die Rotationsbewegung des Werkstücks in Kombination mit der überlagerten axialen Oszillationsbewegung erzeugt wird, um an der Werkstückaußenfläche 665 ein für die Eignung als Gleitlagerfläche vorteilhaftes Kreuzschliffmuster zu erzeugen.
Im Beispielsfall haben die Andrückeinrichtungen jeweils ein metallisches, begrenzt flexibles Andrückband 670A bzw. 670B, das zwischen den Schenkeln jeweils U-förmiger Träger eingespannt ist, wodurch die Andrückschuhe in gewissen Grenzen für Werkstücke unterschiedlicher Durchmesser genutzt werden können. Andere Bauarten, wie beispielsweise in der WO 2009/049868 A1 gezeigt, sind ebenfalls möglich.
Die Bandfinishvorrichtung ist mit einem Radar-Messsystem ausgestattet. Dieses hat einen Radarsensor 652, der mit Hilfe eines mit einer Durchlassöffnung für das Finishband versehenen Trägerelements an der Andrückeinrichtung 650B so befestigt ist, dass er einen definierten radialen Abstand zur Werkstückoberfläche hat. Diametral gegenüberliegend ist ein weiterer Radarsensor 653 in entsprechender Weise am Andrückelement 650B befestigt. Mit Hilfe des Radar-Messsystems können während der Finishbearbeitung sowohl Informationen über den aktuellen Durchmesser des bearbeiteten Werkstückabschnitts, als auch Informationen über eventuelle Formabweichungen und Informationen über die Oberflächenrauheit und Oberflächenstruktur erfasste und durch Rückkopplung zur Maschinensteuerung für die Steuerung des Bearbeitungsprozesses genutzt werden.
Ein Radar-Messsystem mit einem oder mehreren Radarsensoren kann auch in anderen Vorrichtungen zur Feinbearbeitung zur Werkstückoberfläche integriert sein, beispielsweise in einer Einrichtung zum Kurzhubhonen im spitzenlosen Durchlaufverfahren, mit dem beispielsweise Wälzkörper, Kolben, Injektornadeln und dergleichen Werkstücke bearbeitet werden können. Auch bei der Kugelbearbeitung, beispielsweise bei der Finishbearbeitung von kugelförmigen Werkstückabschnitten an Hüftgelenkprothesen oder anderen derartigen Werkstücken kann die Radarmessung zur Durchmessermessung und/oder zur Messung der Makroform der Oberfläche und/oder der Oberflächenbeschaffenheit genutzt werden, ebenso bei Zahnrädern. Die Fähigkeit zur präzisen und schnellen Längenmessung kann insbesondere bei der Bearbeitung von Planetenrädern nützlich sein.
Die im Detail dargestellten Beispiele zeigen Radar-Messsysteme, deren Radarsensoren in Feinbearbeitungswerkzeuge integriert sind, so dass eine Inprozess-Messung möglich ist. Es ist auch möglich, das Messsysteme als eine von einer Bearbeitungsmaschine gesonderte Messstation auszulegen. In diesem Fall kann ein Messkopf ähnlich aufgebaut sein wie das Honwerkzeug in 2, wobei jedoch keine zum Materialabtrag vorgesehenen Honleisten vorhanden sind.

Claims

Verfahren zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks, insbesondere zum Honen oder Finishen von Werkstückabschnitten mit im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmten Werkstückoberflächen, bei dem mindestens ein Feinbearbeitungswerkzeug die Werkstückoberfläche bearbeitet und mit Hilfe eines Messsystems eine Messung der Werkstückoberfläche durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einer Messposition Radarstrahlung auf die Werkstückoberfläche gerichtet wird und die von der Werkstückoberfläche reflektierte Radarstrahlung erfasst und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet wird, wobei die Werkstückoberfläche mit Hilfe mindestens eines an einem Feinbearbeitungswerkzeug angebrachten Radarsensors vermessen wird, so dass das Feinbearbeitungswerkzeug als Sensorträger für den Radarsensor dient.
Verfahren nach Anspruch 1, worin Radarstrahlung mit Frequenzen aus einem Bereich zwischen 20 GHz und 100 GHz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin eine Phasenverschiebung zwischen einer auf die Werkstückoberfläche gerichteten Primärstrahlung und einer von der Werkstückoberfläche reflektierten Sekundärstrahlung ermittelt und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet wird, wobei vorzugsweise eine effektive Wellenlänge derart an die Größenordnung eines typischen Messabstandes angepasst ist, dass die Phasenverschiebung geringer als eine Wellenlänge ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin Messwerte für eine Vielzahl von Messstellen an der Werkstückoberfläche erfasst werden und aus den Messwerten mindestens ein die Makroform der Werkstückoberfläche repräsentierender Formmesswert ermittelt wird, wobei vorzugsweise Messwerte von mindestens 10, insbesondere von mindestens 100 Messstellen gemeinsam ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Werkstück und eine Radarsensoranordnung für die Messung relativ zueinander bewegt werden, zeitlich aufeinanderfolgend Messwerte für eine Vielzahl von Messstellen an der Werkstückoberfläche erfasst werden und aus den Messwerten mindestens ein die Makroform der Werkstückoberfläche repräsentierender Formmesswert ermittelt wird, wobei vorzugsweise die Radarstrahlung in Pulsen bei einer Abtastrate von mindestens 0.1 kHz auf die Werkstückoberfläche eingestrahlt wird, wobei die Abtastrate vorzugsweise mindestens 1 kHz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin bei der Messung Messstellen mehrfach erfasst und aus den mehreren Messwerten für eine Messstelle ein statistisch bewerteter Messwert für die Messstelle errechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Intensität der von der Werksstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung ermittelt und zur Ermittlung mindestens eines Oberflächenmesswertes ausgewertet wird, worin vorzugsweise die Intensität der von der Werksstückoberfläche reflektierten Radarstrahlung an mehreren Orten innerhalb eines ausgedehnten Erfassungsbereichs ortsauflösend erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin aus der reflektierten Radarstrahlung mindestens ein die Oberflächenstruktur der Werkstückoberfläche repräsentierender Oberflächenstrukturmesswert ermittelt wird, wobei der Oberflächenstrukturmesswert vorzugsweise eine Rauheit der Oberfläche und/oder eine Orientierung von Bearbeitungsspuren repräsentiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Messung der Werkstückoberfläche an dem in einer Bearbeitungs-Spannvorrichtung eingespannten Werkstück durchgeführt wird, wobei vorzugsweise die Messung während und/oder nach einem Feinbearbeitungsschritt durchgeführt wird, ein die aktuelle Beschaffenheit der Werkstückoberfläche repräsentierender Oberflächen-Istwert ermittelt wird, und eine Differenz zwischen dem Oberflächen-Istwert und einem korrespondierenden Oberflächen-Sollwert zur Ansteuerung des Feinbearbeitungswerkzeugs verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine Reinigung des Messbereichs durch Freiblasen des Messbereichs mittels Luft oder mittels eines anderen Reinigungsgases durchgeführt wird.
Messsystem zur Messung einer feinbearbeiteten Werkstückoberfläche eines Werkstücks (160, 360, 460, 560, 660), insbesondere zur Messung von im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmten Werkstückoberflächen an mittels Honen oder Finishen bearbeiteten Werkstückabschnitten, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem mindestens eine Radarsensoranordnung mit mindestens einem Radarsensor (152, 153, 252, 253, 352, 452, 552 652, 653) aufweist, wobei das Messsystem als Inprozess-Messsystem ausgelegt ist, wobei der Radarsensor (152, 153, 252, 253, 352, 452, 552 652, 653) an einem Feinbearbeitungswerkzeug (140, 240) einer Vorrichtung (110, 610) zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks (160, 360, 460, 560, 660) derart angebracht ist, dass das Feinbearbeitungswerkzeug als Sensorträger für den Radarsensor dient.
Messsystem nach Anspruch 11, worin das Messsystem als Durchmessermesssystem, als Formmesssystem und/oder als Rauheitsmesssystem konfiguriert ist.
Messsystem nach einem der Ansprüche 11 oder 12, worin das Messsystem zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgelegt ist.
Vorrichtung zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Werkstückoberfläche eines Werkstücks (160, 360, 460, 560, 660), insbesondere zum Honen oder Finishen von Werkstückabschnitten mit im Wesentlichen rotationssymmetrisch gekrümmten Werkstückoberflächen, mit mindestens einem Feinbearbeitungswerkzeug (140, 240) zur Bearbeitung der Werkstückoberfläche, und einem Messsystem (150) zur Vermessung der Werkstückoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13 und/oder zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, worin eine Auswerteeinrichtung des Messsystems (150) mit einer Steuereinrichtung (125) der Bearbeitungsmaschine signalübertragend verbunden ist und gemeinsam mit dieser eine Regeleinrichtung zur Steuerung der Bearbeitung auf Basis von mit dem Messsystem erhaltenen Oberflächenmesswerten bildet, wobei vorzugsweise die Bearbeitungszeit und/oder der Anpressdruck von Schneidstoffträgern auf Basis von Oberflächenmesswerten des Messsystems steuerbar sind.