-
Die Erfindung betrifft eine Schleifmaschine zum spitzenlosen Schleifen mit mindestens einer Schleifscheibe, mindestens einer Regelscheibe und einer zwischen der Schleifscheibe und der Regelscheibe verlaufenden Auflageschiene mit einer Auflagefläche zum Auflegen eines zu schleifenden Werkstücks, wobei die Schleifmaschine einen Körperschall- und/oder Vibrationssensor zur Messung einer durch den Schleifvorgang generierten Schwingung aufweist.
-
Beim spitzenlosen Schleifen (centerless grinding) wird ein rundzuschleifendes Werkstück zwischen einer Regelscheibe, die das Werkstück antreibt, und einer Schleifscheibe, die die Oberfläche des Werkstücks bearbeitet, gehalten, während es von einer Auflageschiene unterstützt wird. Die Auflageschiene wird auch Auflagelineal oder Führungslineal genannt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Rundschleifverfahren zwischen Spitzen, bei denen das Werkstück an Spindelstöcken fixiert ist, ist das Werkstück beim spitzenlosen Schleifen nicht befestigt und liegt beweglich auf der Auflagenschiene, ohne dass Halterungen an den beiden Enden in axialer Richtung vorgesehen sind. Während des Schleifvorgangs rotiert das Werkstück zwischen der schnell drehenden Schleifscheibe und der langsamer drehenden Regelscheibe, durch die die Drehgeschwindigkeit des Werkstücks vorgegeben wird. Die Auflageschiene weist üblicherweise eine gegenüber der Horizontalen schräge Auflagefläche auf, so dass das Werkstück beim Schleifvorgang zwischen Auflageschiene und Regelscheibe gehalten wird. Die Oberfläche der Regelscheibe ist aus einem Material wie etwa Gummi, das einen Kraftschluss zwischen Werkstück und Regelscheibe sicherstellt.
-
Spitzenlose Schleifverfahren können zum Schleifen von Achsen mit Unwuchten wie etwa Ausgleichswellen verwendet werden, wobei in diesem Fall meist Ausgleichsgewichte an den Werkstücken befestigt werden, um eine gleichmäßige Rotation des Werkstücks beim Schleifen möglichst ohne Unwucht sicherzustellen.
-
Bei den beschriebenen Schleifmaschinen ist eine stetige Überwachung der Schleifprozesse sinnvoll, um eine drohende Kollision zwischen Maschine und Werkstück oder eine beginnende Entartung des Schleifprozesses rechtzeitig erkennen und Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Aus diesem Grund weisen herkömmliche Schleifmaschinen regelmäßig einen Vibrations- oder Körperschallsensor auf, der beim Schleifprozess entstehende Schwingungen registriert und an eine Überwachungseinheit weiterleitet. Die beim Schleifen entstehenden Schwingungen liegen, in Abhängigkeit von Schleifmodus, Schleifgeschwindigkeit und Material meist im Ultraschallbereich zwischen etwa 20 kHz und mehreren MHz und breiten sich ausgehend von der Schleif-Kontaktstelle in den Maschinenelementen der Schleifmaschine aus. In diesem Frequenzbereich liegender Schall wird auch als Körperschall oder Acoustic Emission (AE) bezeichnen und kann mit AE-Sensoren erfasst werden.
-
Aus der Druckschrift
EP 1 955 808 A1 ist eine Schleifmaschine zum spitzenlosen Schleifen mit einem Sensor zum Messung des Anpressdrucks zwischen Regelscheibe und Werkstück bekannt.
-
Aus der Veröffentlichung „Körperschall Sensoren und deren Anwendung in der Schleiftechnik“ (M. Pschyklenk, 12.07.2010) ist die Verwendung von Körperschallsensoren bei Schleifprozessen zur Überwachung von Abricht- und Schleifvorgängen bekannt.
-
Bei bekannten Schleifmaschinen sind die Vibrationssensoren entweder am Werkzeugspindelstock, am Reitstock oder an einem Spindelgehäuse befestigt. Es hat sich allerdings gezeigt, dass die Überwachung in diesen Fällen aufgrund der Entfernung zwischen Schleif-Kontaktstelle und Sensor oftmals nicht zuverlässig funktioniert.
-
Ferner wurden Sensoren bereits an der Schleifscheibe selbst befestigt. Ein solcher Sensor ist allerdings anfällig für Beschädigungen. Trotz der Anbringung des Sensors an der Schleifscheibe konnten Kollisionen zwischen Werkstück und Maschine durch Überwachung des Sensorsignals nicht zuverlässig ausgeschlossen werden.
-
In Anbetracht der beschriebenen Probleme ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige Überwachung des Schleifvorgangs zu gewährleisten und das Auftreten von Kollisionen zu vermeiden.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Weiterbildung der eingangs beschriebenen Schleifmaschinen gelöst, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sensor an der Auflageschiene angebracht ist.
-
Die Erfindung geht auf die Erkenntnis zurück, dass Kollisionen und Entartungen des Schleifvorgangs insbesondere beim spitzenlosen Schleifen oftmals auf ein fehlerhaftes Auflegen des Werkstücks auf die Auflageschiene, eine falsche Positionierung des Werkstückes im Schleifspalt oder ein fehlerhaftes Anbringen eines Ausgleichsgewichts an einem unwuchtigen Werkstück zurückzuführen sind. Bei den auf herkömmliche Art angebrachten Sensoren kann eine sinnvolle Überwachung des Sensorsignals erst nach Beginn des Schleifvorgangs erfolgen, da bspw. ein an der Schleifscheibe angebrachter Sensor erst nach Kontaktherstellung zwischen Werkstück und Schleifscheibe ein ausreichend starkes Signal detektiert. Zum Verhindern einer Kollision oder Entartung kann es dann bereits zu spät sein.
-
Wenn andererseits der Sensor an der Auflageschiene angebracht ist, werden Vibrationen bereits nach Zustellung der Regelscheibe an das Werkstück detektiert, sobald das auf der Auflageschiene liegende Werkstück von der Regelscheibe in Drehung versetzt ist. Deshalb kann bereits vor Zustellung der Schleifscheibe und vor Beginn des Schleifvorgangs zuverlässig ein Fehler beim Einlegen und/oder ein Fehler bei der Anbringung von Ausgleichsgewichten durch Analyse des Sensorsignals erkannt und beseitigt werden. Hierdurch können Entartungen und Kollisionen zuverlässig rechtzeitig unterbunden werden.
-
Hinzu kommt, dass die Auflageschiene beim Schleifen in unmittelbarem Kontakt zu dem Werkstück steht, so dass durch das Schleifen hervorgerufene Vibrationen besonders nahe an der Schleif-Kontaktstelle abgegriffen werden. Ferner ist die Auflageschiene von den übrigen Maschinenelementen der Schleifmaschine wie etwa dem Getriebe etc. gut abgekoppelt, so dass der an der Auflageschiene angebrachte Sensor deutlich weniger Störsignale erfasst als bspw. ein an einem Spindelgehäuse angebrachter Sensor.
-
Vorzugsweise weist der Sensor ein Piezoelement auf. Schwingungen bzw. Vibrationen im Körperschallbereich bzw. AE-Bereich (AE-Sensoren), die die Vibrationen mithilfe eines piezoelektrischen Elements erfassen, arbeiten besonders zuverlässig und genau. Gängige Frequenzbereiche sind bspw. 50 kHz bis 400 kHz oder 100 kHz bis 900 kHz.
-
Die Auflageschiene kann zum einen die längliche, meist angeschrägte Auflagefläche, die dem Werkstück zugewandt ist, und ferner zwei Seitenflächen aufweisen, von denen die erste Seitenfläche der Schleifscheibe und die zweite Seitenfläche der Regelscheibe zugewandt ist. Die Vibrationen können besonders nahe an der Schleif-Kontaktstelle abgegriffen werden, wenn der Sensor an einer der Seitenflächen, bevorzugt an der der Schleifscheibe zugewandten Seitenfläche angebracht ist. Alternativ kann der Sensor auch an der Auflagefläche selbst angebracht sein, sofern eine Beschädigung durch das aufliegende Werkstück ausgeschlossen ist.
-
Schleifmaschinen können zwei oder mehr Schleifscheiben und ggf. zwei oder mehr Regelscheiben aufweisen, wenn sie bspw. zum Schleifen von Ausgleichswellen mit zwei oder mehr Lagerstellen verwendet werden. Für das Abgreifen eines möglichst exakten Signals hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der Sensor in einem Bereich an der Auflageschiene befestigt ist, der zwischen zwei durch die Schleifscheiben verlaufenden Radialebenen liegt. Alternativ kann der Sensor von einer durch die Schleifscheibe verlaufenden Radialebene geschnitten werden. In jedem Fall sollte der Sensor in einem Bereich an der Auflageschiene befestigt sein, der bei Schleifbetrieb nahe an einer Kontaktstelle zwischen Schleifscheibe und Werkstück liegt. Die Messgenauigkeit wird dadurch erhöht.
-
Die Messgenauigkeit kann weiter verbessert werden, wenn der kleinste Abstand zwischen der Auflagefläche der Auflageschiene und dem Sensor kleiner ist als 15 cm, bevorzugt kleiner ist als 5 cm. Insbesondere kann der Sensor unmittelbar an der Auflagefläche angebracht sein.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Schleifmaschine zwei oder mehr an der Auflageschiene angebrachte Vibrationssensoren auf. Bevorzugt ist jeder der Sensoren einer von mehreren Schleifscheiben zugeordnet und ist in deren unmittelbaren Umgebung an der Auflageschiene angebracht.
-
Der Sensor kann mithilfe von Befestigungselementen wie etwa Schrauben an der Auflageschiene befestigt sein. Der Sensor bzw. ein Einkoppelelement des Sensors sollte dabei unmittelbar auf einer Fläche der Auflageschiene aufliegen. Hierdurch wird die Einkopplung der Vibrationen von der Auflageschiene in den Sensor verbessert.
-
Die Schleifmaschine kann eine Steuervorrichtung zum Steuern und/oder Regeln des Schleifvorgangs in Abhängigkeit von dem gemessenen Sensorsignal aufweisen.
-
Alternativ oder zusätzlich kann die Schleifmaschine eine Überwachungseinheit zum Überwachen einer Amplitude und/oder eines Verlaufs des Sensorsignals aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist Überwachungseinheit zum automatischen Einleiten einer Gegenmaßnahme wie etwa eines Not-Stopps, eines Eilrückgangs und/oder einer Unterbrechung des Schleifvorgangs eingerichtet, falls das Schwingungssignal eine vorgegebene Schwelle übersteigt und/oder von einem vorgegebenen oder zu erwartenden Verlauf abweicht.
-
Bspw. kann die Schleifmaschine automatisch abgeschaltet werden, falls das in-process-überwachte Sensorsignal einen Peak aufweist, der in seiner Amplitude höher ist als eine zuvor festgelegte Schwelle. Verschiedenen Schleifmodi (wie etwa Schruppen, Schlichten, Feinschlichten, Ausfunken, Drehen des Werkstücks ohne Bearbeitung etc.) kann dabei eine unterschiedlich hohe Schwelle zugeordnet sein, bei deren Überschreiten durch das Sensorsignal dann eine Gegenmaßnahme eingeleitet wird, wenn sich die Schleifmaschine in dem entsprechenden Betriebsmodus befindet. Bspw. ist beim Schruppen die Amplitude des Sensorsignals regelmäßig größer als beim Feinschlichten, so dass hier ein höherer Schwellenwert sinnvoll ist. Alternative Gegenmaßnahmen sind ebenso vorstellbar.
-
Alternativ oder zusätzlich kann die Überwachungseinheit zum Ermitteln eines Maßes für den Rundlauf des Werkstücks aus dem Sensorsignal eingerichtet sein. So kann aus dem überwachten und ggf. aufgezeichneten Sensorsignal durch Analyse des Amplitudenverlaufs, der Peakstruktur, der Konstanz des Frequenzbands in den verschiedenen Modi etc. ein Maß für den Rundlauf des geschliffenen Werkstücks ermittelt werden. Dieses Maß kann bereits während des Schleifvorgangs oder im Anschluss an den Schleifvorgang aus dem gespeicherten Sensorsignal ermittelt werden. Das Maß kann zur Qualitätskontrolle des geschliffenen Werkstücks verwendet, ggf. abgespeichert und dem einzelnen Werkstück dauerhaft zugeordnet werden. Werkstücke mit schlechtem Rundlauf können ggf. ausgesondert oder nachgeschliffen werden.
-
Vorzugsweise weist die Schleifmaschine eine Anzeigevorrichtung wie etwa ein Display zum Darstellen des Sensorsignals auf. Dem Signalverlauf kann bspw. unmittelbar entnommen werden, in welchem Betriebsmodus (Schruppen, Schlichten etc.) sich die Schleifmaschine gerade befindet. Ferner kann ein Beobachter aus dem Signalverlauf erkennen, ob der Rundlauf des Werkstücks zufriedenstellend ist und/oder ob das Werkstück bzw. daran befestigte Ausgleichsgewichte ordnungsgemäß positioniert sind.
-
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Schleifmaschine, bei dem das Signal eines unmittelbar an der Auflageschiene angebrachten Körperschall- und/oder Vibrationssensors vor oder während eines Schleifvorgangs einer Überwachungseinheit zugeführt und bevorzugt analysiert, ausgewertet und/oder angezeigt wird. Durch die Anbringung des Sensors an der Auflageschiene einer spitzenlosen Schleifmaschine ist das Sensorsignal besonders exakt und weist nur geringe Störanteile auf. Ferner kann ein Signal bereits vor Zustellen der Schleifscheibe an das Werkstück detektiert und ausgewertet werden. Dies führt zu einer besseren Crash-Vermeidung als bei herkömmlichen Schleifmaschinen.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ein auf der Auflageschiene aufliegendes Werkstück durch eine Regelscheibe in Drehung versetzt werden und das Signal des Vibrationssensors bereits vor Beginn des Schleifvorgangs der Überwachungseinheit zugeführt und bevorzugt analysiert, ausgewertet und/oder angezeigt werden. In Abhängigkeit von dem zugeführten Signal kann die Überwachungseinheit entsprechende Gegenmaßnahmen einleiten, falls eine Unregelmäßigkeit des Signals bzw. eine Abweichung von dem zu erwartenden Verlauf festgestellt wird. Die Gegenmaßnahme kann die Einleitung eines Not-Stopp umfassen, bei dem die Regelscheiben- und Schleifscheibenspindel in einen Eilrückgang verfahren.
-
Die Gegenmaßnahme wird insbesondere dann eingeleitet, wenn das Schwingungssignal eine vorgegebene Schwelle übersteigt und/oder von einem vorgegebenen Verlauf abweicht. Vorzugsweise ist dabei jedem Schleifmodus ein Schwellenwert zugeordnet, wobei die Gegenmaßnahme dann eingeleitet wird, wenn die demjenigen Schleifmodus zugeordnete Schwelle überschritten wird, in dem sich die Schleifmaschine gerade befindet.
-
Alternativ oder zusätzlich wird die Position und/oder die Befestigung eines an dem Werkstück angebrachten Gegengewichts während des Schleifvorgangs automatisch überwacht, und entsprechende Gegenmaßnahmen werden eingeleitet, falls eine Abweichung vom Normverhalten festgestellt wird.
-
Bspw. wird zusätzlich die Funktionsfähigkeit des Gegengewichts abgefragt, indem die Federspannkraft der Befestigung kontrolliert wird. Ferner kann zusätzlich die korrekte Position und Befestigung des Gegengewichts an der Ausgleichswelle abgefragt werden.
-
Die Erfindung bietet insbesondere die folgenden Vorteile: der Sensor kann auf einfache Weise und ohne größere Investitionskosten an der Auflageschiene angebracht werden; es ist eine taktzeitneutrale Prozessüberwachung und eine Kontrolle während sowie vor der Bearbeitung möglich; die einzelnen Bearbeitungsschritte (Schruppen, Schlichten etc.) können während des Schleifprozesses dargestellt werden und der Rundlauf des Werkstücks kann überwacht werden.
-
In der folgenden Beschreibung wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, auf die im Hinblick auf erfindungswesentliche und in der Beschreibung nicht explizit herausgestellte Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. In der Zeichnung zeigt:
-
1 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Schleifmaschine,
-
2 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schleifmaschine, und
-
3 eine Konstruktionszeichnung des Auflagelineals einer erfindungsgemäßen Schleifmaschine in verschiedenen Ansichten.
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schleifmaschine zum spitzenlosen Rundschleifen 10 in einer Querschnittsansicht, wobei die Schnittebene senkrecht zu den Drehachsen der Schleifmaschine verläuft.
-
Die Schleifmaschine weist eine Regelscheibe 14 auf, die an ein auf einer Auflageschiene 20 liegendes Werkstück 30 zugestellt ist und das Werkstück 30 in Drehung versetzt. Die Auflageschiene 20 ist zwischen der Regelscheibe 14 und einer größeren Schleifscheibe 12 angeordnet, so dass zwischen den Scheiben 12, 14 ein Schleifspalt gebildet ist, dessen untere Begrenzung durch die Auflageschiene 20 gebildet wird.
-
Die Regelscheibe 14 regelt die Umfangsgeschwindigkeit bzw. die Drehzahl des Werkstücks 30, bestimmt den Anpressdruck und reguliert ggf. die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks. Die Schleifscheibe 12 dreht sich mit einer höheren Umfangsgeschwindigkeit als die Regelscheibe, so dass die Werkstückoberfläche nach Zustellung der Schleifscheibe 12 an das Werkstück 30 bearbeitet wird.
-
Die Auflageschiene 20 weist eine nach oben in Richtung auf den Schleifspalt gerichtete Auflagefläche 22 auf, auf der das im Querschnitt runde Werkstück 30 (in der Querschnittsansicht an nur einem Kontaktpunkt) aufliegt. Die Auflagefläche 22 verläuft unter einem Winkel gegenüber der Horizontalen. Ferner weist die Auflageschiene zwei Seitenflächen 23 auf, von denen die eine der Schleifscheibe 12 und die andere der Regelscheibe 14 zugewandt ist.
-
Ein AE-Sensor zur Messung von Vibrationen bzw. von Körperschall, der durch den Schleifvorgang erzeugt wird, ist an der der Schleifscheibe zugewandten Seitenfläche 23 der Auflageschiene vorzugsweise mittels Schrauben befestigt. Der AE-Sensor weist ein piezoelektrisches Element auf.
-
Der Abstand zwischen Sensor 24 und Auflagefläche 22 beträgt weniger als 10 cm, so dass der Sensor während des Schleifens sehr nahe an einer Kontaktstelle zwischen Schleifscheibe und Werkstück angeordnet ist, wodurch die Messgenauigkeit erhöht wird. Wie in der Zeichnung dargestellt, wird der Sensor von einer durch die Schleifscheibe verlaufenden Radialebene geschnitten.
-
In 2 ist eine erfindungsgemäße Schleifmaschine in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Mögliche Befestigungspunkte für Körperschallsensoren sind durch Kreise dargestellt. Die Sensoren können auch unmittelbar an der Auflagefläche angeordnet sein. Die Schleifmaschine weist insgesamt drei Schleifscheiben 12 und drei Regelscheiben 14 auf. Entsprechend weist die Schleifmaschine auch drei Sensoren 24 auf, von denen jeder einer Schleifscheibe 12 zugeordnet ist und in der unmittelbaren Umgebung der jeweils zugeordneten Schleifscheibe an der Auflageschiene 20 befestigt ist. Dadurch wird die Messgenauigkeit erhöht und zuverlässig jede Entartung des Schleifvorgangs rechtzeitig erkannt.
-
Oftmals weist das zu schleifende Werkstück 30 wie etwa eine Ausgleichswelle zwischen den zu schleifenden Bereichen unwuchtige Bereiche auf. Es ist daher sinnvoll, in den zwischen den Schleifscheiben liegenden Bereichen an der Auflageschiene 20 Sensoren anzubringen, um eine mögliche fehlerhafte Befestigung eines Ausgleichsgewichts an den unwuchtigen Bereichen des Werkstück anhand von ungleichmäßigen Schwingungssignal-Verläufen rechtzeitig erkennen zu können und Gegenmaßnahmen vor dem Auftreten eines Crashs einleiten zu können.
-
In 3 sind verschiedene Ansichten einer Auflageschiene dargestellt (Draufsicht, Seitenansicht, Frontansicht). Die Kreise zeigen mögliche Anbringungspunkte der Sensoren.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Schleifmaschine kann wie folgt ablaufen:
Vor der Bearbeitung wird außerhalb der Schleifmaschine ein Ausgleichsgewicht auf die Welle geklemmt. Die Welle wird in die Maschine auf die Auflageschiene gelegt. Dabei wird sie von der Regelscheibe sofort in Umdrehung gebracht. Das Sensorsignal wird ausgewertet und mögliche Unregelmäßigkeiten aufgrund einer fehlerhaften Befestigung des Ausgleichsgewichts oder aufgrund einer fehlerhaften Positionierung der Ausgleichswelle werden rechtzeitig erkannt.
-
Die Schleifscheibe wird zugestellt und der Schleifvorgang beginnt. Zwischen Schleifscheibe und Werkstück kommt es zur Bearbeitung. Dabei findet eine In-Process-Überwachung und Anzeige des Signalverlaufs statt, um einen Crash rechtzeitig zu vermeiden und den Rundlauf zu kontrollieren.
-
Falsch eingelegte Wellen haben regelmäßig zu sehr kostenintensiven Beschädigungen der Werkzeuge geführt. Es wurde ein Test durchgeführt, um zu prüfen, ob sich die Unwucht des Werkstückes durch Vibrationsmessung erkennen lässt, um so Beschädigungen der Maschine zu vermeiden. Der AE-Sensor wurde magnetisch einmal an der Auflageschiene und einmal am Antrieb der Regelscheibe befestigt.
-
Ergebnis: Bei Messung an der Auflageschiene war die Unwucht mit der Überwachung der Beschleunigung deutlich erkennbar. Die Messung am Antrieb der Regelscheibe brachte dagegen keine eindeutigen Ergebnisse.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Schleifmaschine
- 12
- Schleifscheibe(n)
- 14
- Regelscheibe(n)
- 20
- Auflageschiene
- 22
- Auflagefläche
- 23
- Seitenflächen
- 24
- Sensor(en)
- 30
- Werkstück
- vR
- Drehgeschwindigkeit Regelscheibe
- vW
- Drehgeschwindigkeit Werkstück
- vS
- Drehgeschwindigkeit Schleifscheibe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
