DE3942805C2

DE3942805C2 -

Info

Publication number: DE3942805C2
Application number: DE19893942805
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Flores (Fh), 7302 Ostfildern, De; Oswald 7440 Nuertingen De Kopp
Original assignee: Kadia Maschinenbau Kopp & Co 7440 Nuertingen De GmbH
Current assignee: Kadia Maschinenbau Kopp & Co 7440 Nuertingen De GmbH
Priority date: 1989-12-23
Filing date: 1989-12-23
Publication date: 1993-06-09
Also published as: DE3942805A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation für eine Maschine in Form einer Honmaschine, Bürsthonmaschine, Schleifmaschine, Bohr- oder Feinbohrmaschine oder Fräsmaschine zur Messung der Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche einer Bohrung eines Werkstücks.

Ein Meßgerät zur Bestimmung von Mikrorauhtiefen krummliniger Oberflächen zylindrischer Körper ist in der CH-PS 4 39 770 beschrieben. Am Gerätegehäuse befestigte messerartige Stellsegmentstücke dienen als Stelleinrichtung, auf der der Körper mit seiner zu prüfenden Oberfläche aufliegt. Ein Induktionsgeber, dessen Nadel die zu vermessende Oberfläche durch einen Schlitz im Stellsegmentstück abtastet, ist ebenfalls starr am Gerätegehäuse befestigt. Der zu prüfende Körper wird manuell über ein mechanisch-hydraulisches System bewegt. Während dieser Bewegung tastet die Nadel die Oberfläche ab. Dieses Prinzip der Tastschnittmessung ist außerdem in der Veröffentlichung "Prüfung der Oberflächenrauheit mit Tastschnittgeräten" (Autor: Dr. rer. Nat. H. Wolff) in: Werkstatt und Betrieb 109 (1976), 11, S. 667 bis 672, ausführlich dargestellt.

Dieses Meßgerät ist nicht in der Lage, die heutzutage an moderne Meßstationen gestellten Anforderungen zu erfüllen. Die an eine solche Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation zu stellenden Forderungen lassen sich dahingehend zusammenfassen, daß in "prozeßnaher" Weise rechtzeitig Abweichungen von der erwünschten Bearbeitungsqualität erkannt und kompensiert werden sollen. Dieses soll nicht durch individuelles Eingreifen von Bedienungspersonen, sondern durch Erhöhung des Automatisierungsgrades der Bearbeitung, vorzugsweise im Takt einer Transferstraße, erfolgen. So weit wie möglich sollen aufgrund der erfaßten Meßgrößen die Parameter der Bearbeitung nachgeregelt werden; sofern dies nicht mehr möglich ist, soll der Fehler erkannt und angezeigt werden, so daß anderweitige Maßnahmen (z. B. Werkzeugwechsel) getroffen werden können.

Derartige Maßnahmen werden in der Veröffentlichung "Entwicklungstendenzen in der Koordinatenmeßtechnik" (Autor: Albert Weckenmann) in VDE-Z Bd. 127 (1895), Nr. 4, S. 117 bis 123, vorgeschlagen. Die Koordinatenmeßtechnik ist jedoch eine Technik zur Längenmessung mit Meßbereichen zwischen einigen Zentimetern und mehreren Metern. Dies erlaubt wesentlich höhere Ungenauigkeiten bei der Messung und dementsprechend geringere Anforderungen für die Abschirmung der Meßstation gegenüber den von der Werkzeugmaschine ausgehenden Erschütterungen. Die in dieser Veröffentlichung hierzu vorgeschlagenen Maßnahmen sind für die Oberflächenmessung im Bereich von 0,5 bis 30 Mikrometer nicht brauchbar.

In der Veröffentlichung "Rauheitssensor zur In-Prozeß-Messung der Werkstückrauheit beim Honen" (Autoren: M. von See, P. Maskus) in: Industrie-Anzeiger 100/1987, S. 33/34, ist bereits der Vorschlag gemacht worden, die Rauhtiefe gehonter Werkstücke einer Post-Prozeß-Messung zu unterwerfen. Einzelheiten des Aufbaus der Meßstation sind jedoch nicht angegeben. Beschrieben wird lediglich ein Sensor, der aus einer an einer Blattfeder geführten Diamanttastspitze und einem damit verbundenen Piezo-Biegestäbchen besteht. Ein solcher Sensor reagiert aber auch bei der angegebenen In-Prozeß-Messung, infolge des verwendeten Schwingsystems für den Meßtaster, sehr empfindlich auf Verunreinigungen, z. B. mit einem Ölfilm, auch wenn dieser sehr dünn ist. Im übrigen behandelt diese Veröffentlichung eine kontinuierliche Messung während, jedoch nicht nach der Bearbeitung.

In der Veröffentlichung "Überwachung der Oberfläche in der Schwinghebelfertigung mit optischem Rauheitsmeßgerät" (Autoren: R. Brodmann, G. Hübner, N. Rau, W. Staiger) in: Werkstatt und Betrieb, 116. Jahrgang, 1983, Heft 11, S. 651-653, wird ebenfalls, jedoch nur sehr allgemein, eine Post-Prozeß-Oberflächenmessung diskutiert. Es geht dabei jedoch hauptsächlich um die Ausbildung des Meßgerätes als solches.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation der eingangs genannten Art zu schaffen, die in prozeßnaher Weise die Messung der Oberflächenrauheit der Wandungen von Oberflächen in Bohrungen nach der Bearbeitung durch Honen, Bürsthonen oder Schleifen sowie die direkte Verwendung der Meßergebnisse für die Regelung der Arbeitsparameter ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.

Mit der erfindungsgemäßen Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation wird eine prozeßnahe Messung und Steuerung der Bearbeitungsparameter ermöglicht. Es hat sich herausgestellt, daß das hauptsächliche zu überwindende Hindernis einer prozeßnahen Meßsteuerung darin bestand, die Meßeinrichtung von den Schwingungen der Maschine freizuhalten ist. Dies erfolgt gemäß einem Merkmal der Erfindung durch die Anordnung der Meßplattform der Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation auf Schwingungsdämpfern gemäß der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihrer vorteilhaften Weiterbildungen wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Ansicht in Richtung der Pfeile II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine Darstellung des Ablaufs der verschiedenen Verfahrensschritte;

Fig. 4 ein Schema für die Auswertung der Meßergebnisse;

Fig. 5 einen der verwendeten Schwingungsdämpfer.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation 1, die u. a. eine Meßplattform 2 aufweist. Auf der Stellfläche 2a der Meßplattform 2 steht ein Werkstück 3 (im Ausführungsbeispiel: ein Kurbelgehäuse). Mit der Meßplattform 2 fest verbunden ist ein Rahmen 4, der durch eine Stützrippe 5 praktisch verwindungsfrei abgestützt ist. Im Innenraum des Rahmens 4 ist eine Gewindespindel 5 gelagert. Diese kann von einem Schrittmotor 7 gedreht werden. Die Gewindespindel 6 durchsetzt den Führungsblock 8 eines Meßgeräteträgers 9, so daß bei Drehung der Gewindespindel 6 durch den Schrittmotor 7 der Meßgeräteträger 9 vertikal verschoben werden kann. Der Meßgeräteträger 9 ist an der (in Fig. 1) linken Seitenfläche des Rahmens 4 gleitend gelagert und als stabiler Winkel, mittels der Rippe 10 versteift, ausgebildet. Auf dem Meßgeräteträger 9 ist das eigentliche Oberflächenmeßgerät 11, dessen Bestandteil der Taster 12 ist, angeordnet. Ferner ist auf dem Meßgeräteträger 9 der Abblaskopf 13 angeordnet. Der Abblaskopf 13 weist leicht schräg nach außen und nach unten geneigte ringförmige Düsen auf. Er wird am Meßgeräteträger 9 mittels eines Rohres 14 gehalten. Das Rohr 14 dient auch dazu, dem Abblaskopf 13 Druckluft zuzuführen, die über einen (nicht gezeigten) Anschluß mittels einer (nicht gezeigten) Druckluftleitung an das obere Ende des Rohres 14 gelangt. Der Abblaskopf 13 dient dazu, unmittelbar vor dem Meßvorgang, der die Rauhigkeit der Oberfläche mittels des Tasters 12 mißt, die Oberfläche der Bohrung im Werkstück 3 so weit wie möglich von Kühl-/Schmierflüssigkeit, Spänen oder Schmutzteilchen zu reinigen. In dem Oberflächenmeßgerät 11 sind auch entsprechende Einrichtungen vorgesehen, um den Taster 12 radial an die zu messende Oberfläche anzufahren. Von dem Oberflächenmeßgerät 11 geht eine Leitung zur Auswerteeinheit 15. Die Auswerteeinheit 15 ist über eine Leitung 15′ mit der Maschinensteuerung und über eine Leitung 15′′ mit einer Dokumentationseinrichtung (Speicher eines PC, Schreiber, Drucker) verbunden.

Die Meßplattform 2 ist auf dem Maschinenbett 20 mittels pneumatisch geregelter Schwingungsdämpfer 21, 22 . . . gelagert. Es empfiehlt sich dabei eine pneumatische Einstellbarkeit der Schwingungsdämpfer (siehe Fig. 5), um der unterschiedlichen Belastung der einzelnen Schwingungsdämpfer Rechnung tragen zu können. Die Meßplattform 2 sollte arretierbar sein, so daß man sie während des Transports eines Werkstückes 3 von der Stellfläche 30 der Maschine, auf der es (durch nicht gezeigte Bearbeitungseinrichtungen, z. B. Spindeln) bearbeitet wird, auf die Stellfläche 2a arretieren kann. Die Arretierung ist dann also lediglich während des Meßvorganges freizugeben. Die Dämpfung ist vorzugsweise als 3-Punkt-Auflage auszubilden. Sie muß so ausgelegt werden, daß die benachbarten und auf demselben Maschinenbett 20 angeordneten Honspindeln selbst bei harter Umsteuerung und einer Hubgeschwindigkeit von bis zu 25 m/min ohne Beeinträchtigung einer gleichzeitig stattfindenden Messung gefahren werden können. Diese schwingungsgedämpfte Lagerung ist von besonderer Bedeutung, da sie die Übertragung von Schwingungen von Bearbeitungs-Stellfläche 30 der Maschine auf die Meßplattform 2 verhindert, so daß ein "prozeßnahes Messen" ermöglicht wird. Weitere Schwingungsdämpfer befinden sich hinter den eingezeichneten Schwingungsdämpfern 21, 22, also hinter der Zeichenebene von Fig. 1.

Die Anordnung der Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation bezüglich einer Honmaschine ist derart, daß das Werkstück 3 von der Bearbeitungsstellfläche 30 der Honmaschine mittels am Maschinenrahmen angeordneter Schwenkstangen 25, von der Stellfläche 30 auf der Honmaschine, wo sie bearbeitet werden, auf den Stellbereich 2a der Meßplattform 2 geschoben werden können. Diese Verschiebebewegung erfolgt beim Ausführungsbeispiel in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene (siehe Fig. 2). Wichtig ist, daß die Meßplattform 2 direkt keinen Kontakt mit der Stellfläche des Werkstücks auf der Maschine hat, um die Übertragung von Schwingungen zu vermeiden. Die Trennung kann durch einen Spalt 31 gewährleistet sein (siehe Fig. 2). Während des Meßvorgangs sind die Schwenkstangen in die mit 25′ bezeichnete Position hochgeschwenkt, so daß auch sie keine Schwingungen auf das Werkstück 3 übertragen.

Für das Oberflächenmeßgerät 11 kommen grundsätzlich alle zur Zeit zur Verfügung stehenden Oberflächenmeßverfahren in Betracht, so u. a. eine pneumatische Oberflächenmessung, optoelektronische Tastverfahren, Messungen nach dem Streulichtverfahren, oder mechanisch-elektronische Tastschnittverfahren. Sie sollten aber danach ausgewählt werden, daß das Ergebnis durch Ölreste nicht verfälscht und die Streubreite der Meßergebnisse nicht zu groß wird. Im vorliegenden Fall kommen vorzugsweise mechanisch- elektronische Tastschnitt-Meßgeräte in Betracht, bei denen mit einer Diamantspitze das Oberflächenprofil abgetastet und entsprechende elektrische Signale aus der Bewegung bzw. Lage des Tasters abgeleitet werden (Hersteller: HOMMEL). Bei abgedichteter Ausführung und höherer Anlagekraft ist dieses Meßverfahren auch für ölbenetzte Oberflächen geeignet (Anpreßkraft ca. 4 mN). Mit diesen Meßgeräten sind die üblichen Maßzahlen für die Oberflächenrauhigkeit R_z, R_a, R_max, tpi (Digitales Filter), R_k R_pk und R_pk* (vgl. dazu im einzelnen DIN 4762, 4768 Teil 1, 4776 Entwurf 1985) meßbar.

Eine wesentliche Anforderung an eine derartige Post-Prozeß- Oberflächenmeßstation, die in dem Bearbeitungsvorgang bzw. die Bearbeitungsmaschine integriert sein soll, ist, daß die Messung im Maschinentakt durchgeführt werden kann. Hierzu wurden die Minimum-Meßzeiten untersucht. Es ergaben sich folgende Ergebnisse:

Für Rz = 0,5-10 : Cut off LC\|= 0,8 mm
(Zuordnung nach DIN 4768) @	Tastlänge (LT)	= 5,6 mm
Tastgeschwindigkeit (vtmax)	= 0,5 mm/s
Meßzeit (T)	= 11,2 s
Für Rz = 10-50 : Cut off LC	= 2,5 mm
Tastlänge (LT)	= 17,5 mm
Tastgeschwindigkeit (vtmax)	= 0,5 mm/s
Meßzeit (T)	= 35,0 s

Die Meßzeit beträgt also je nach zu prüfender Rauhigkeit 11,2 bzw. 35 s. Die Nebenzeiten zum Ein- und Ausfahren des Tasters sind mit ca. 10 s in Rechnung zu stellen.

Fig. 3 zeigt in einem Weg-Zeit-Diagramm schematisch den Ablauf des Meßvorgangs. Wird der Meßgeräteträger 9 abwärts gefahren, so läuft zunächst der Abblaskopf 13 in die Bohrung und beginnt, bei Erreichen der oberen Bohrungskante, Druckluft gegen die Bohrungswand zu blasen ("Abblasen"). Sobald der Taster 12 in die Bohrungswand eingefahren wird, wird er nach Erreichen der Meßposition radial gegen die Bohrungswand angelegt. Bei weiterem Vorschub vertikal nach unten erfolgt das Messen der Oberflächenrauhigkeit. Während des Messens wird die Druckluft des Abblaskopfes 13 abgeschaltet. Nach Beendigung des Meßvorganges fährt der Taster 12 zunächst radial zurück. Nach kurzer Verzögerung beginnt das Ausfahren.

Fig. 4 zeigt schematisch die Aufbereitung der bei der Messung anfallenden Signale. Bewegen sich die Meßwerte im Bereich 1, der die zulässigen Toleranzgrenzen definiert, erfolgt keine Beeinflussung des laufenden Bearbeitungsverfahrens. Fallen die Ergebnisse in den Bereich 2, so werden entsprechende Signale an die Steuerung weitergeleitet, so z. B. zur Veränderung des Zustelldrucks des Werkzeuges an die Innenwand der zu bearbeitenden Bohrung, zur Steuerung der Bearbeitungszeit und der Veränderung der Drehzahl des Werkzeugs. Dies sind die wichtigsten Parameter, durch deren Veränderung die Qualität einer Bohrung im Bearbeitungsbereich der Maschine beeinflußt werden kann. Befindet sich der gemessene Wert im Bereich 3, so ist davon auszugehen, daß ein Fehler vorliegt und ein Werkzeugwechsel oder z. B. eine Überprüfung der Kühlmittelzufuhr erforderlich ist. Die Grenzen zwischen den Bereichen 1/2/3 sind variabel, d. h. innerhalb der Auswerteeinheit 15 programmierbar.

Fig. 5 zeigt die Niveauregulierung eines Schwingungsdämpfers 21. Zwischen Maschinenbett 20 und Meßplattform 2 befindet sich ein Luftfederelement 32, das über Drosseln 33, 34, ein Zwischenvolumen 35, und ein Einlaßventil 36 von einer Druckluftquelle 37 gespeist wird. Die Druckminderung erfolgt über Leitung 38 und Auslaßventil 39 in die Atmosphäre bei Auslaß 40. Die Regulierung erfolgt mittels eines Höhentasters 41, der je nach Lage einen der beiden Kontakte 42, 43 berührt und damit entweder Einlaßventil 36 oder Auslaßventil 39 betätigt. Die Versorgungsspannung wird von der Batterie 50 geliefert. Die Arretierung kann durch entsprechend starkes (pralles) Aufpumpen des Luftfederelementes 32 oder durch nicht gezeigte) mechanische Einrichtungen erfolgen.

Die Meßplattform 2 ist, wie ersichtlich, praktisch als eine Art Trog mit gegenüber den Schwingungsdämpfern 21, 22 vertiefter Stellfläche 2a ausgebildet, damit in der Ebene, in der die Schwingungsdämpfer 21, 22 liegen, auch der Schwerpunkt des Aufbaus auf der Meßplattform 2 liegt, so daß die Meßbewegung möglichst zu kleinen Drehmomenten um den Masseschwerpunkt führt, um die Meßplattform richtig zu halten.

Claims

1. Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation für eine Maschine in Form einer Honmaschine, Bürsthonmaschine, Schleifmaschine, Bohr- oder Feinbohrmaschine oder Fräsmaschine, zur Messung der Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche einer Bohrung eines Werkstücks (3), wobei
auf einem horizontal ausgerichteten Maschinenbett (20) der Maschine eine Meßplattform (2) in Ausrichtung mit der Transportebene (30) der Maschine auf Schwingungsdämpfern (21, 22) gelagert ist,
die Meßplattform (2) eine Stellfläche (2a) für das Werkstück (3) aufweist,
auf der Meßplattform (2) eine Stelleinrichtung (4) angeordnet ist, an der vertikal verschiebbar ein Meßgeräteträger (9) angeordnet ist, der ein Oberflächenmeßgerät (11) trägt, dessen Taster (12) in die Bohrung einfahrbar, radial an diese anlegbar und entlang der Bohrung an der Oberfläche führbar ist, und
das Oberflächenmeßgerät (11) mit einer Auswerteeinheit (15) verbunden ist, die so ausgebildet ist, daß aus vom Oberflächenmeßgerät (11) gemessenen Maßzahlen für die Rauheit (Rz, Ra, . . .) Steuerungssignale zur Steuerung der Bearbeitungsparameter der Maschine ableitbar sind und/oder ein Fehlersignal beim Überschreiten vorgegebener Bereiche der Maßzahlen erzeugbar ist.

2. Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsdämpfer (21, 22) pneumatisch einstellbar sind.

3. Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungsdämpfer mit Arretiereinrichtungen versehen sind, die bei Betätigung des Oberflächenmeßgerätes (11) entriegelbar sind.

4. Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßgeräteträger (9) mittels eines Schrittmotors (7) vertikal verschiebbar ist.

5. Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Meßgeräteträger (9) ein Abblaskopf (13) mit schräg nach unten und außen gerichteten ringförmigen Düsen angeordnet ist.

6. Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abblaskopf (13) in einem gewissen Abstand unterhalb des Tasters (12) des Oberflächenmeßgerätes (11) angeordnet ist.

7. Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Oberflächenmeßgerät (11) ein Tastschnittmeßgerät vorgesehen ist, bei dem eine Diamantspitze unter erhöhtem Meßdruck an der zu messenden Oberfläche anliegt.

8. Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellfläche (2a) der Meßplattform (2) gegenüber einer durch die Schwingungsdämpfer (21, 22) bestimmten Ebene tiefer liegend angeordnet ist und der Masseschwerpunkt der Meßplattform (2) samt Stelleinrichtung (4) und Werkstück (3) in der genannten Ebene liegt.

9. Post-Prozeß-Oberflächenmeßstation nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsparameter der Maschine Zustelldruck, Bearbeitungszeit und/oder Drehzahl sind.