DE19928500B4

DE19928500B4 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Messung von Prozess- und Werkstückkennwerten beim Schleifen von Zahnrädern

Info

Publication number: DE19928500B4
Application number: DE19928500.4A
Authority: DE
Inventors: Erich Ronneberger
Original assignee: Reishauer AG
Current assignee: Reishauer AG
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2014-04-24
Anticipated expiration: 2019-06-23
Also published as: US6577917B1; JP2001030112A; ITTO20000588A1; IT1320506B1; ITTO20000588A0; DE19928500A1

Abstract

Verfahren zur automatischen Erfassung und Auswertung von Prozess- und Werkstückkenndaten beim Schleifen von Zahnrädern, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines automatischen Schleifzyklus' mit einem oder mehreren Sensoren (23, 24) auf demselben Adapterkopf (22) mehrere Messungen durchgeführt werden, wobei die für die Messungen benötigten Sensoren (23, 24) in eine Position nahe dem Zahnradkopfkreis zugestellt und mittels Verschiebung einer CNC-gesteuerten Spindel (16) parallel zur Werkstückachse (7) in die für die Messung erforderliche in der CNC programmierte Messposition gebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine dazugehörige Vorrichtung an einem CNC-Bearbeitungszentrum vorzugsweise für die Herstellung von Verzahnungen und/oder anderen wälzfähigen Profilen sowie komplettierende Zahn- und Ergänzungsbearbeitungen.
Es ist bekannt, dass mit dem Aufkommen von CNC-Zahnradschleifmaschinen und damit insbesondere den lagegeregelten Achsen sowie moderner Sensortechnik eine beträchtliche Produktivitätserhöhung beim Zahnradschleifen erreicht wurde, die wiederum einen wachsenden Bedarf nach kurzen Nebenzeiten und ein Herauslösen des Bedieners aus dem nun sehr schnellen Arbeitstakt dieser Maschinen erzeugte. Dabei ist ein Trend zu qualitativ hochwertigen Werkstücken mit immer höherer Präzision und Formgenauigkeit zu beobachten. Neben hauptzeitverkürzenden Massnahmen wurden und werden deshalb insbesondere Werkstückwechsel und andere vorbereitende Verrichtungen am Beginn und Ende sowie zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schleifoperationen zunehmend automatisiert. Mit dem einhergehenden Herauslösen des Bedieners aus dem Arbeitstakt der Maschine entfällt aber die auf Erfahrung beruhende Kontrolle des Schleifprozesses und damit die rechtzeitige Korrekturmöglichkeit zur Verhinderung von Bearbeitungsfehlern. Somit besteht in der neuen Technologie des automatischen Hochleistungsschleifens ein wachsendes Risikopotential für Ausschuss bzw. Werkstückfehler, die hohe Nachbesserungskosten verursachen können.
Ausgehend von der Aufgabe des Zahnradschleifens, ist ein durch Härteverzug unterschiedliches Zahnflankenaufmass so abzuarbeiten, dass die endgültige geometrische Flankenform im Mikrometerbereich erreicht wird. Wirtschaftlichkeitsüberlegungen fordern den Materialabtrag in kürzester Zeit. Dieser wird begrenzt durch thermisch bedingte Gefügeänderungen in der Werkstückrandzone, dem sogenannten Schleifbrand. Die Ursachen dieser Erscheinung sind weitgehend erforscht.
Es sind Zahnflankenschleifmaschinen bekannt, bei denen prozessvorbereitende bzw. prozessüberwachende Funktionen als Einzeloperation automatisiert sind, z. B. das Einfädeln oder Einzentrieren, wie das Positionieren der Zahnlücken eines Zahnrades zur erzeugenden Schleifschnecke vor Beginn des Schleifprozesses bezeichnet wird. Eine charakteristische Ausführungsform hiervon zeigt US-A 4 755 950 . Merkmal dieser Lösung an einer Verzahnungs-Formschleifmaschine ist ein stationärer spezieller Taster, der in eine Zahnlücke eintaucht und auf Berührung mit einer Zahnflanke anspricht. Danach wird das Werkstück bis zur Berührung der zweiten Flanke verdreht. Ein Computer registriert die Kontaktpositionen und berechnet die Mittelstellung, in die das Werkstück zum Einmitten gedreht wird.
In CH 682 853 A5 wird eine Vereinfachung der Aufgabe durch Verringerung der durchzuführenden Bewegungen vorgeschlagen. Eine vorzugsweise Ausführung der Erfindung verwendet einen Sensor mit einer Messkugel, die entweder auf den Zahnkopf oder auf die Flanken einer Zahnlücke des Werkstücks auftrifft. Die Messkugel erfasst somit Abweichungen sowohl in radialer als auch in tangentialer Tastrichtung. Das Tastsystem ist am Werkzeugständer angeordnet.
Im Stand der Technik wird weiterhin das vorverzahnte Werkstück mittels Lader oder von Hand auf der Werkstückaufnahme abgelegt und danach mit Arbeitsdrehzahl eine 100%-Prüfung aller rechten und linken Flanken des Zahnrades durchgeführt. Die Zahnflanken werden dabei berührungslos von einem stationären induktiven bzw. kapazitiven Aufnehmer abgetastet. Der Sensor prüft, ob das richtige Zahnrad vorliegt und ob Abweichungen der Zahndicke und des Rundlaufs im voreingestellten Toleranzbereich liegen. In einer geeigneten Elektronik wird ein dem Zahnrad entsprechendes Muster oder Modell erstellt und auf Zahndicke, Rundlauf sowie Zähnezahl ausgewertet. Liegen die Werte innerhalb der Toleranz, wird der Drehversatz festgestellt, aufgrund dessen das automatische elektronische Einfädeln von Werkstück und Schleifschnecke erfolgen kann.
Ein gemeinsames Merkmal der erwähnten Beispiele ist die Automatisierung des Einzentrierens, welches vor Beginn des Schleifens vorgenommen werden muss. Ein geeigneter Sensor ist dabei in unterschiedlichen Ausführungen – berührend oder berührungslos – in der Verzahnmaschine nach speziellen Regeln angeordnet. Diese genannten Lösungen besitzen aber noch wesentliche Nachteile. Sie sind nur für die Einzentrieraufgabe oder die Prüfung vor dem Schleifen konzipiert. Berührende Taster erfordern ein Stillsetzen der Werkstückspindel zwecks Einfahrens in die Zahnlücke, was die Zykluszeit verlängert. Damit sind zumindest diese Lösungen für das hochproduktive Zahnradschleifen nicht geeignet, da die Messung nicht bei Arbeitsdrehzahl durchführbar ist.
Mit den bekannten Anordnungsprinzipien, Einrichtungen und Verfahren wird prinzipiell nur das Einmitten realisiert. Die Erfassung von weiteren geometrischen und technologischen Prozessgrossen ist während und am Ende des Schleifens nicht vorgesehen und erfordert somit weitere aufwendige Einrichtungen, die auch die Kollisionsfreiheit im Arbeitsraum grundsätzlich einschränken.
Eine andere Art von Einrichtungen wird zur Erfassung von Schleifbrand vorgeschlagen. Aus DE 195 44 620 A1 ist ein Verfahren für das Teilwälz- und Profilschleifen bekannt, welches die Veränderung der dielektrischen Funktion im hochfrequenten Bereich durch Änderung der Kapazität eines elektrischen Schwingkreises erfasst. Der Sensor muss dazu in die Zahnlücke in Millimeterabstand zur geschliffenen Zahnflanke gefahren werden. Somit erfordert auch diese Lösung wie bei berührenden Tastern ein Stillsetzen der Werkstückspindel.
In DE 40 25 552 C1 wird vorgeschlagen, die Abstandsänderung der Stirnflächen des Werkstücks als Ersatzwert für die Temperaturerhöhung und damit die Entstehung von Schleifbrand durch den Schleifprozess zu messen. Erfindungsgemäss werden auf Schleifdornen paarweise Messsysteme, vorzugsweise mit Dehnmessstreifen, als Messelement ausgeführt. Die Temperaturerhöhung beim Schleifen verursacht nach Aussagen des Erfinders ca. 10 bis 20 Mikrometer Zahnbreitenänderung. Durch Vergleich mit einem Referenzwerkstück soll bei den nachfolgend mit gleichen Schleifdaten geschliffenen Werkstücken Schleifbrand sicher erkannt werden können. Diese Methode kommt allerdings nur bei kleineren Werkstücken in Frage, weil bei Zahnrädern mit grosser Masse die Werkstückerwärmung durch den Schleifprozess für eine solche Messung zu gering ist.
DE 43 05 408 A1 offenbart eine Zahnradschleifmaschine mit einem Messkopf, mit dessen Hilfe Zahnprofil, Zahn-Flankenlinie, Zahnteilung usw. eines bearbeiteten Zahnrads gemessen werden können, bevor es aus der Maschine entfernt wird. Der Messkopf arbeitet berührend. Er ist am Schleifscheibenträger befestigt und wird zur Messung gegenüber diesem Träger von einer Ruhestellung in eine Arbeitsstellung verschwenkt. Dadurch sind keine Messungen während des Schleifens möglich.
Allgemein kennzeichnend für den Stand der Technik ist aufgrund der gefundenen Lösungen, dass für die beschriebenen Mess- und Kontrolloperationen hinsichtlich Verfahren und Vorrichtung zwar Lösungen bestehen, ihre gemeinsame Verwendung auf einer Zahnflankenschleifmaschine jedoch eine erhebliche Beengung des Arbeitsraums verursacht und zumeist einen hohen Vorrichtungs- und Messmittelaufwand sowie lange Rüst- und zusätzliche Nebenzeiten zur Folge hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen durch Zusammenfassung mehrerer Mess- und Kontrollfunktionen in einer automatisierten Messvorrichtung und Mehrfachnutzung der Vorrichtung und der Messgeräte der wirtschaftliche Nutzen der Maschine erhöht, die Qualität und Verfügbarkeit verbessert und der Rüstvorgang vereinfacht wird. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe gemäss Kennzeichen der Ansprüche 1 und 10 wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:
1 die Seitenansicht einer schematisch dargestellten Zahnflankenschleifmaschine mit der erfindungsgemässen Messvorrichtung, und
2 die Draufsicht auf das Werkstück bei eingeschwenkter Messsonde.
Im Ständer 1 der in 1 schematisch dargestellten CNC-Zahnflankenschleifmaschine 2 befindet sich der fest mit diesem verbundene Werkstückspindelträger 3, in dem die Werkstückspindel 4 mit dem mittels eines Spanndorns 5 gespannten Werkstück 6 um die Achse 7 drehbar gelagert ist. Sie wird angetrieben durch den Motor 8. Ihr Drehwinkel wird mittels Drehgeber 9 erfasst.
Die Schleifspindel 10 mit dem Schleifwerkzeug 11, einer Schleifschnecke oder Schleifscheibe, ist in bekannter Weise über den Schiftschlitten 12, den Hubschlitten 13, das Schwenkteil 14 und den Zustellschlitten 15 ebenfalls mit dem Ständer 1 verbunden, wobei die Schleifspindel 10 und die Schlitten 12, 13 und 15 von Motoren 32, 33, 34, 35 angetrieben werden und zusammen mit den zugeordneten Winkel- bzw. Positionsgebern 36, 37, 38, 39 gleich wie die Werkstückspindel mit Motor 8 und Winkelgeber 9 NC-Achsen der CNC-Steuerung 31 bilden.
Eine weitere NC-Achse bildet erfindungsgemäss eine zur Werkstückachse 7 parallel verschiebbare und um die Achse 19 schwenkbare Spindel 16, an deren oberem Ende sich der Messsondenhalter 20 befindet. Die Verschiebebewegung wird dabei von dem Motor 17 mit dem Winkelgeber 18 erzeugt. Die Schwenkbewegung bewirkt vorzugsweise ein nicht dargestellter Pneumatikzylinder.
Das vordere Ende des in Längsrichtung einstellbaren Sondenrohres 21 trägt auf einem Adapter 22 eine oder mehrere vorzugsweise in Richtung der Achse 7 übereinander angeordnete Messsonden 23, 24, deren Signale über Signalkabel 25 der CNC-Steuerung 31 zugeführt werden. In der hier dargestellten Arbeitsposition befinden sich die Sensoren 23, 24 im für die Messung erforderlichen Abstand vom Zahnradkopfkreis. Vor dem Werkstückwechsel wird der Messsondenhalter 20 nötigenfalls aus Platzgründen aus dem Werkstückbereich ausgeschwenkt.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann auch die Schwenkbewegung des Messsondenhalters 20 um die Achse 19 über eine NC-Achse realisiert werden, was zwar die Kosten erhöht aber den Einrichtaufwand insbesondere bei seitlich zueinander versetzten Sensoren vermindert. Diese Variante ist in 1 symbolisch strichpunktiert dargestellt mit dem drehfest aber längsverschiebbar mit der Spindel 16 verbundenen Zahnrad 42, dem damit kämmenden Kitzel 43, das durch den Motor 44 angetrieben ist, und dem Winkelgeber 45.
Zur Durchführung einer Messoperation wird die Spindel 16 in eine über die Steuerung 31 vorgewählte Position gebracht und mit der eingeschwenkten Messsonde 23 oder 24 das sich drehende oder in einer vorgewählten Winkelposition stehende Werkstück 6 in einer zu seiner Drehachse senkrechten Ebenen 26, 27, 28 berührungslos abgetastet. Messgrössen, die sich auf diese Art vor bzw. während oder zu Kontrollzwecken nach dem Schleifen des Werkstücks ermitteln lassen, sind u. a.

– die Lage und Verlagerung der oberen und unteren Stirnseite der Verzahnung,
– die Zähnezahl und der Zahnteilungsverlauf über dem Werkstückumfang
– die Winkellage der Zahnlücken (Ein- und Nachzentrieren),
– das Zahnflankenaufmass vor dem Schleifen (Zustellungsbegrenzung),
– der Schrägungswinkel β (Messung in den Ebenen 26, 28),
– die Temperatur am Zahnkopf (Schleifbrandüberwachung),
– Vibrationen am Werkstück über Flüssigkeitsstrahl.

Diese Messgrössen dienen einerseits dem Einrichten eines neuen Werkstücks bzw. der Vorbereitung des Schleifzyklus' (z. B. Bestimmung der Hubumkehrpositionen der Schleifscheibe oder Auffindung der Zahnlückenwinkellage gegenüber dem Schleifscheibenprofil), andererseits der Überwachung von kennzeichnenden Prozessdaten (Zahnweite, Zahnkopftemperatur usw.), deren Abweichung vom eingestellten Sollwert im automatischen Bearbeitungsprozess zur Adaption von Prozessparametern oder zum Abschalten der Maschine verwendet werden kann, um die Produktion von Ausschuss oder Beschädigung der Maschine zu vermeiden. Dabei können die Sollwerte entweder nach der Spezifikation des Werkstücks berechnet und von Hand eingegeben oder durch die automatische Vermessung des ersten als gut erkannten Werkstücks gewonnen werden. Da der Bearbeitungsprozess und der Messprozess kinematisch nicht miteinander gekoppelt sind, können etliche dieser Messungen gleichzeitig mit Arbeitsoperationen im Schleifzyklus durchgeführt werden, so dass für sie keine zusätzliche Zykluszeit benötigt wird. Durch die kontinuierliche Überwachung können Prozessabweichungen frühzeitig erkannt und entsprechende Anpassungen der Prozessparameter vorgenommen werden. Die erfindungsgemässe Lösung ermöglicht die Erfassung einer Vielzahl relevanter Messgrössen, ohne das knappe Platzangebot um das Werkstück zu beeinträchtigen oder die Taktzeit zu verlängern. Die Erfindung ist sowohl in der Klein- und Mittel- als auch in der Grossseriefertigung einsetzbar.
Selbstverständlich können die NC-Achsen zur Erzeugung der linearen Relativbewegung sowie der Schwenkbewegung zwischen Schleifscheibe 11 und Werkstück 6 auch anders gelöst werden. Eine oder mehrere dieser Bewegungen können z. B. durch den Werkstückträger 3 ausgeführt werden.

Claims

Verfahren zur automatischen Erfassung und Auswertung von Prozess- und Werkstückkenndaten beim Schleifen von Zahnrädern, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines automatischen Schleifzyklus' mit einem oder mehreren Sensoren (23, 24) auf demselben Adapterkopf (22) mehrere Messungen durchgeführt werden, wobei die für die Messungen benötigten Sensoren (23, 24) in eine Position nahe dem Zahnradkopfkreis zugestellt und mittels Verschiebung einer CNC-gesteuerten Spindel (16) parallel zur Werkstückachse (7) in die für die Messung erforderliche in der CNC programmierte Messposition gebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung von Werkstück- und Prozesskennwerten vor, während und nach dem Schleifen des Werkstücks erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen mit berührungslos messenden Sensoren (23, 24) in mehreren Werkstückebenen (26, 27, 28) am Umfang des Werkstücks (6) durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf dem Adapterkopf (22) zwei oder mehr Sensoren (23, 24) befinden, die für die Messung gleicher oder unterschiedlicher physikalischer Grössen bestimmt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der gemessenen und in der CNC verarbeiteten Daten mehrere der nachfolgend genannten Prozess- und Werkstückkennwerte ermittelt werden: – die Lage und Verlagerung der oberen und unteren Stirnseite der Verzahnung, – die Zähnezahl und der Zahnteilungsverlauf über dem Werkstückumfang, – die Winkellage der Zahnlücken, – das Zahnflankenaufmass vor dem Schleifen (Zustellungsbegrenzung), – der Schrägungswinkel β (Messung in den Ebenen 26, 28), – die Temperatur am Zahnkopf (Schleifbrandüberwachung), – Vibrationen am Werkstück über Flüssigkeitsstrahl.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollwerte der erfassten Prozess- und Werkstückkennwerte berechnet oder mittels automatischer Vermessung eines für gut befundenen Werkstücks (6) gewonnen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels entsprechender NC-Programmierung des Schleifprozesses die Messung und Verarbeitung mindestens einiger der Prozess- und Werkstückkennwerte gleichzeitig mit anderen Prozessschritten des Schleifprozesses erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Soll/Ist-Abweichungen der Zahnteilung und des Rohteilflankenaufmasses Grenzwerte in die CNC eingegeben werden, deren Überschreitung zu einer entsprechenden Anpassung der Prozessparameter durch die CNC oder Chargenabbruch verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die nach Abschluss des Schleifprozesses durchgeführten Messungen dazu verwendet werden, bei Überschreitung der programmierten Soll/Ist-Abweichungen die automatische Produktion der Maschine zu unterbrechen.
Zahnflankenschleifmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: – einen Maschinenständer (1), – eine im Maschinenständer (1) drehbar gelagerte, als NC-Achse ausgebildete Werkstückspindel (4) mit einem Spanndorn (5) zum Aufspannen eines Werkstücks (6), – eine drehbar gelagerte, als NC-Achse ausgebildete Schleifspindel (10) zum Aufspannen einer Schleifscheibe (11), – einen ersten Schlitten (12) zur Erzeugung einer NC-gesteuerten Relativbewegung zwischen Schleifscheibe (11) und Werkstück (6) parallel zur Schleifspindelachse, – einen senkrecht zur Schleifspindelachse verfahrbaren zweiten Schlitten (13) zur Erzeugung einer NC-gesteuerten Relativbewegung zwischen Schleifscheibe (11) und Werkstück (6) senkrecht zur Verschieberichtung des ersten Schlittens (12), – einen dritten Schlitten (15) zur Erzeugung einer NC-gesteuerten Zustellbewegung der Schleifscheibe (11) relativ zum Werkstück (6) in radialer Richtung zur Werkstückspindelachse (7), – eine NC-Steuereinrichtung (31), mit welcher sämtliche NC-Achsen programmiert gesteuert werden, gekennzeichnet durch einen mittels einer zusätzlichen NC-Achse (19) parallel zur Werkstückspindelachse (7) verfahrbaren, radial zur Werkstückspindelachse (7) einstellbaren Messsondenhalter (22), an welchem mindestens ein mit der NC-Steuereinrichtung (31) verbundener Sensor (23, 24) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der Messsondenhalter (22) zusätzlich seitlich bewegbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die seitliche Bewegung des Messsondenhalters (22) durch eine weitere NC-Achse gesteuert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die zusätzliche NC-Achse (19) als Spindel (16) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei am Messsondenhalter (22) mehrere Sensoren (23, 24) angeordnet sind.