Feinbearbeitungsverfahren und Feinbearbeitungsmaschine zur messungsunterstützten

Feinbearbeitung von Bohrungen

ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK

Die Erfindung betrifft ein Feinbearbeitungsverfahren und eine Feinbearbeitungsmaschine zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Bohrung in einem Werkstück.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die messungsunterstützte Feinbearbeitung von Bohrungen durch Honen (Innenhonen), wobei während und/oder nach der Feinbearbeitung eine Messung (Formmessung) zur Bestimmung der Makroform der Bohrung durchgeführt wird.

Das Honen ist ein Zerspanungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden, bei dem ein Honwerkzeug eine aus zwei Komponenten bestehende Schnittbewegung ausführt und eine ständige Flächenberührung zwischen einem oder mehreren Schneidstoffkörpern, z.B. Honleisten, des Honwerkzeugs und der zu bearbeitenden Bohrungsinnenfläche vorliegt. Die Kinematik eines Honwerkzeugs ist charakterisiert durch eine Überlagerung einer Drehbewegung und einer in Axialrichtung der Bohrung verlaufenden Hubbewegung. Meist ist noch eine optionale Aufweitbewegung vorgesehen, die zu einer Veränderung des wirksamen Durchmessers des Honwerkzeugs führt.

An der Bohrungsinnenfläche erzeugt die Kinematik des Honwerkzeugs eine Oberflächenstruktur mit sich überkreuzenden Bearbeitungsspuren. Durch Honen endbearbeitete Oberflächen können extrem hohen Anforderungen bezüglich Maß- und Formtoleranzen genügen. Daher werden viele hoch belastete Gleitflächen in Motoren oder Motorbauteilen, z.B. Zylinderlaufflächen in Motorblöcken oder Bohrungsinnenflächen in Gehäusen von Einspritzpumpen, durch Honen bearbeitet.

Um den Belastungen hochbeanspruchter Werkstücke an ihrem Einsatzort zuverlässig und dauerhaft standhalten zu können, steigen die Anforderungen an die Qualität der gehonten Bohrungen. Zunehmend muss der Durchmesser der Bohrungen prozesssicher in Toleranzen von wenigen pm, teilweise sogar darunter gehalten werden. Zusätzlich muss die Makroform der Bohrung hohen Qualitätsansprüchen genügen. Beispielsweise werden geometrische Anforderungen wie Rundheit der Bohrung, Parallelität der Bohrungsmantellinien sowie Zylinderform der Bohrungen im pm-Bereich gefordert. 2

Um die hohen Genauigkeitsanforderungen erreichen zu können, werden im Zusammenhang mit der Honbearbeitung mithilfe einen Messsystems Messoperationen (eine oder mehrere) durchgeführt. Insbesondere kann während und/oder nach der Feinbearbeitung eine Messung zur Bestimmung der Makroform der Bohrung durchgeführt werden.

Bekannt ist zum Beispiel der Einsatz von Honwerkzeugen mit integrierten Messdüsen eines pneumatischen in-Prozess-Messsystems, welche während des Honprozesses und/oder nach einzelnen Honstufen den aktuellen Durchmesser der Bohrung (Ist-Durchmesser) am in der Bearbeitungsposition an der Honmaschine eingespannten Werkstück ermitteln können. Dieser Wert kann zur Regelung des Honprozesses verwendet werden, z.B. im Rahmen einer Abschaltregelung.

Es sind auch separat von einer Bearbeitungsstation angeordnete post-Prozess-Messstationen 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

Solche Messungen werden heutzutage häufig mit pneumatischen Messsystemen durchgeführt, die nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip arbeiten und dem Fachmann bekannt sind.

Die DE 10 2010 011 470 A1 beschreibt Verfahren und Vorrichtung zur messungsunterstützten Feinbearbeitung von Bohrungen, worin 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. Dadurch sollen eine hohe Messdynamik und hohe Messgenauigkeiten erzielbar sein. Es können Abstandmessungen mit hohen Abtastraten durchgeführt werden, um Informationen über den Durchmesser und/oder die Makroform der Bohrungsinnenfläche zu enthalten und um daraus beispielsweise Informationen über Maßgenauigkeit, Rundheit, Zylindrizität und/oder Profilierung in Axialrichtung (Konizität, Tonnenform, Balligkeit, Vorweite etc.) zu ermitteln. Einzelheiten zur Auswertung der Messwerte sind nicht offenbart.

Die EP 2 378242 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur industriellen Vermessung von Bohrungen, die eine in die Bohrung einführbare Messsonde aufweist, an der wenigstens ein - 3 -

Abstandssensor vorgesehen ist, mit dem der momentane Abstand eines Bezugspunkts der Messsonde von einer Wand der Bohrung bestimmbar ist. Die Messsonde ist drehbar an einem Halter gelagert, der gegenüber dem Messobjekt fixiert ist und/oder dessen Position relativ zu dem Messobjekt bekannt ist. Die Auswerteeinrichtung ist dazu ausgebildet, im Verlauf einer Drehung der Messsonde eine Anzahl an aufeinanderfolgend bestimmten Abständen zu empfangen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung Mittel zum Bestimmen der Neigung der Messsonde relativ zu dem Halter sowie Korrekturmittel zum Kompensieren von Eigenbewegungen und Fehlstellungen der Messsonde anhand der Neigung aufweist. Hier wird neben dem Messwert zusätzlich die Position sowie die Schrägstellung des Messdorns erfasst, da diese sich bei einem System mit nur einem Messsensor stark auf den Messwert auswirkt. Zur Bestimmung der Rundheit werden aus den aufeinander folgenden Messwerten einer Rotationsbewegung zwei konzentrische Kreise berechnet, die als Pferchkreis und Hüllkreis bezeichnet werden und deren radialer Abstand als Maß für die Rundheit der Bohrung genutzt wird.

Es ist auch bekannt, nachgelagert zur Fertigung eine Prozessüberwachung der Qualität der gehonten Bohrungen in einem separaten Feinmessraum durchzuführen. Auf speziellen Messmaschinen (z.B. Koordinatenmessmaschinen oder sogenannten Formtestern mit drehbarer Werkstückaufnahme) werden einzelne Werkstücke auf alle kritischen Merkmale (Durchmesser, Bohrungsform, Oberflächenrauheit, etc.) untersucht. Dazu werden die Werkstücke gereinigt und temperiert, die Werkstücke werden vermessen und bei Einhaltung der geforderten Toleranzen wird das Fertigungslos zur Auslieferung oder Montage bzw. Weiterverarbeitung freigegeben.

AUFGABE UND LOSUNG

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feinbearbeitungsverfahren und eine Feinbearbeitungsmaschine zur messungsunterstützten materialabtragenden Feinbearbeitung einer Bohrung in einem Werkstück bereitzustellen, die es ermöglichen, systematisch und in relativ kurzer Zeiten Werkstücke mit Bohrungen zu fertigen, die höchsten Ansprüchen an die Makroform genügen.

Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Feinbearbeitungsverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, sowie eine Feinbearbeitungsmaschine mit den Merkmalen von Anspruch 13 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht. 4

Das Feinbearbeitungsverfahren zur Feinbearbeitung einer Bohrung in einem Werkstück wird automatisiert auf einer Feinbearbeitungsmaschine durchgeführt, also auf einer für die Feinbearbeitung eingerichteten Werkzeugmaschine. Während der Feinbearbeitung bearbeitet ein Feinbearbeitungswerkzeug in einer Feinbearbeitungsoperation die Innenfläche der Bohrung materialabtragend, beispielsweise mittels Honens oder Innenrundschleifens. Zeitlich vor, während und/oder zeitlich nach der Feinbearbeitungsoperation wird auf der Feinbearbeitungsmaschine eine Formmessung der Bohrungsinnenfläche durchgeführt. Dazu wird ein Messwerkzeug durch eine Relativbewegung zwischen Messwerkzeug und Werkstück in die Bohrung eingeführt und es wird eine Relativbewegung zwischen Messwerkzeug und Werkstück erzeugt.

Die Relativbewegung kann dadurch erzeugt werden, dass das Werkstück ruht und das Messwerkzeug relativ zum Werkstück bewegt wird. Es ist auch möglich, dass das Messwerkzeug ruht, während nur das Werkstück bewegt wird. Auch eine Kombination mit wenigstens phasenweise bewegtem Messwerkzeug und wenigstens phasenweise bewegten Werkstück ist möglich

Mithilfe des Messwerkzeugs werden geometrierelevante Messwerte erfasst. Die Messwerte werden dann in einer Auswerteoperation zur Ermittlung wenigstens eines Formmesswerts ausgewertet, der die Makroform der Bohrungsinnenfläche beschreibt.

Die Messung der Bohrungsform bzw. der Bohrungsgeometrie findet also im Zusammenhang mit einer Feinbearbeitung der Werkstückoberfläche statt, bei der Material vom Werkstück zum Beispiel durch Zerspanung abgetragen wird. Eine Messung „auf der Feinbearbeitungsmaschine“ bedeutet, dass sich das Werkstück für die Messung in einer Arbeitsstation der Feinbearbeitungsmaschine befindet. Bei der Arbeitsstation kann es sich um eine Bearbeitungsstation handeln, an der auch eine Bearbeitung stattfindet, z.B. durch Honen. Bei der Arbeitsstation kann es sich auch um eine gesonderte Messstation der Feinbearbeitungsmaschine handeln, also eine Arbeitsstation, die speziell für die Messung eingerichtet ist und an der keine Bearbeitung stattfindet. In diesem Fall ist ein vorzugsweise automatisierter Transport bzw. Transfer zwischen Bearbeitungsstation und Messstation vorgesehen.

In beiden Fällen ist das Werkstück für die Messung in einer Werkstückhaltevorrichtung der Feinbearbeitungsmaschine eingespannt. Findet zwischen Bearbeitung und Messung ein Transport zwischen der Bearbeitungsstation und einer davon gesonderten Messstation statt, so 5 verbleibt das Werkstück vorzugsweise in der Werkstückhaltevorrichtung eingespannt, so dann keine durch Umspannen erzeugten Lagefehler entstehen können

Die Auswerteoperation wird in einer Auswerteeinrichtung der Feinbearbeitungsmaschine durchgeführt. Diese kann integraler Bestandteil der Steuereinrichtung der Feinbearbeitungsmaschine sein und entweder vor Ort (lokal) oder remote (per Datenfernübertragung mit der Steuereinrichtung verbunden) untergebracht sein. Insbesondere aus Gründen der Performance kann es sinnvoll sein, die Auswertung zu verlagern. Denkbare Orte hierfür sind z.B. die Nicht-Echtzeitfähige Seite der Steuerungseinrichtung oder eine externe Auswerteeinrichtung.

Die Messwerte des Messwerkzeugs sind zunächst unbearbeitete Rohmesswerte. Die Auswerteoperation umfasst mehrere Schritte. In einer Filteroperation werden die vom Messwerkzeug erzeugten Messwerte (Rohmesswerte) unter Verwendung eines Filterkriteriums und wenigstens eines Filterparameters einer Filterung unterzogen, um gefilterte Messwerte zu ermitteln. Das Filterkriterium und der mindestens eine Filterparameter können fest vorgegeben oder beispielsweise durch den Bediener variabel vorgebbar sein.

Als Filterkriterium kommt beispielsweise ein Gauß-Filter, ein robustes Gauß-Filter, ein Spline- Filter, ein robustes Spline-Filter oder ein RC-Filter infrage.

Für Gauß-Filter, robuste Gauß-Filter und RC-Filter ist der Filterparameter vorzugsweise eine Grenzwellenlänge. Es handelt sich dann um eine frequenzabhängige bzw. wellenlängenabhängige Filterung. Die Grenzwellenlänge ist der Filterparameter, der definiert, bei welcher Frequenz das Nutzsignal vom Störsignal getrennt wird. Die Filtercharakteristik bestimmt unter anderem, wie mit starken Signalsprüngen umgegangen wird.

Für Spline-Filter oder robuste Spline-Filter wird vorzugsweise die Krümmung oder Spannung einer Interpolationskurve als Filterparameter definiert. Spline-Filter versuchen, die Krümmung einer zwischen den Messwerten interpolierten Kurve zu minimieren, um so das Nutzsignal vom Störsignal zu trennen.

Da Formabweichungen erster Ordnung (Geradheit, Rundheit etc.) im Wesentlichen durch tiefe Frequenzen und geringe Krümmungen charakterisiert sind, werden für solche Messungen vorzugsweise Tiefpassfilter eingesetzt. Es ist auch möglich einen Hochpassfilter oder eine Kombination von zwei gleichartigen Filtern mit unterschiedlichen Filterparametern als Bandpass oder als Bandsperre zu verwenden. 6

Die Filteroperation liefert gefilterte Messwerte, bei denen im Vergleich zu den ungefilterten Roh- Messwerten z.B. lokale Ausreißer weitestgehend eliminiert sein können, ohne die gesuchte Information zur Makroform herauszufiltern.

In einem nachfolgenden Schritt wird eine Ausgleichsrechnung an den gefilterten Messwerten durchgeführt, um wenigstens ein an die gefilterten Messwerte angepasstes Ausgleichselement zu ermitteln. Das Ausgleichselement entspricht seiner Art nach einem Referenzelement, das aus der Gruppe Referenzkreis, Referenzgerade, Referenzzylinder, Referenzkegel, Referenzsphäre oder einer Kombination von Ausschnitten aus mindestens zwei der Referenzelemente, wie z.B. Kegelstumpf oder Kugelkalotte, ausgewählt ist

Ein Referenzelement gibt den erwarteten geometrischen Charakter des Zusammenhangs der Messwerte an und wird vorgegeben. Ein Referenzelement entspricht einem Grundelement der Geometrie oder einer Kombination von Grundelementen oder Teilen davon. Insoweit gibt das Referenzelement nur die Art des Ausgleichselements an, nicht jedoch seine Parameter, wie z.B. Größenmaße. Eine Referenzgerade ist ein eindimensionales Referenzelement. Ein Referenzkreis ist ein zweidimensionales Referenzelement in Form einer zum Zentrum des Kreises rotationssymmetrischen Figur. Referenzzylinder, Referenzkegel und Referenzsphäre, Referenz-Kegelstumpf etc. sind Beispiele für dreidimensionale rotationssymmetrische Referenzelemente.

Das Ausgleichselement ist das Ergebnis der an den Messwerten durchgeführten Ausgleichsrechnung. Eine Ausgleichungsrechnung (gelegentlich auch als Anpassung bezeichnet) ist eine mathematische Optimierungsmethode, mit deren Hilfe für eine Reihe von Messwerten bzw. Messdaten die unbekannten Parameter ihres geometrisch-physikalischen Modells oder die Parameter einer vorgegebenen Funktion bestimmt oder geschätzt werden sollen. Die Ausgleichsrechnung orientiert sich an einem (vorgegebenen) Referenzelement, welches die Art des geometrischen Zusammenhangs zwischen den Messwerten bzw. Messdaten repräsentiert. Bei einer Rundheitsmessung beispielsweise wird erwartet, dass die Messwerte mehr oder weniger gut auf einem gemeinsamen Kreis liegen. Das Referenzelement ist somit ein Referenzkreis, das zugehörige Ausgleichselement ist ein kreisförmiges Ausgleichselement, also ein Ausgleichskreis. Der Referenzkreis ist unabhängig von den tatsächlichen Maßen der Bohrung. Der Ausgleichskreis resultiert dagegen aus den tatsächlichen Messwerten und hat dementsprechend auswertbare Dimensionen, z.B. einen Durchmesser. 7 ln anderen Worten: Referenzelemente beschreiben abstrakt mögliche Elemente im Raum, während das eine zu den jeweiligen Daten angepasste und im Raum definierte konkrete Element als Ausgleichselement bezeichnet wird. Ein berechnetes Ausgleichselement ist das durch die Ausgleichsrechnung konkret im Raum definierte Element, das der Form des zugehörigen Referenzelements entspricht.

Zur Bestimmung der Rundheit der Bohrung in einer vorgegebenen Messebene wird beispielsweise aus den gefilterten Messwerten bzw. dem gefilterten Profil ein Ausgleichskreis berechnet. Dieser Ausgleichskreis kann beispielsweise durch die Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmt werden. Auch andere Methoden der Ausgleichsrechnung sind möglich, beispielsweise der sogenannte .random sample consensus', der vereinfacht gesagt versucht, Ausreißer aus den Messdaten zu eliminieren, bevor die Ausgleichsrechnung nach klassischem Algorithmus durchgeführt wird. Für die Bestimmung der Geradheit wird entsprechend durch die Ausgleichsrechnung eine Ausgleichsgerade ermittelt, z.B. durch lineare Regression nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate.

Anschließend erfolgt die Ermittlung des Formmesswerts unter Verwendung mindestens einer geometrischen Eigenschaft des Ausgleichselements. Das durch Ausgleichsrechnung an gefilterten Messwerten ermittelte Ausgleichselements dient also als Basis bzw. Vergleichsgröße für die Ermittlung des Formmesswerts.

Der ermittelte Formmesswert wird dann zum Betrieb der Feinbearbeitungsmaschine weiterverarbeitet. Die Weiterverarbeitung kann in einfacheren Fällen darin bestehen, den ermittelten Formmesswert für einen Bediener sichtbar anzuzeigen und/oder gemeinsam mit anderen werkstückspezifischen Daten digital abzuspeichern. Es ist auch möglich, auf Basis des Formmesswerts die Parameter der Steuerung der Feinbearbeitungsoperation zu modifizieren. Es kann auch eine Klassifizierung des gemessenen Werkstücks vorgenommen, z.B. in Gutteile (bei denen die Bohrungsform innerhalb vorgegebener Toleranzen der Sollform entspricht) und Schlechtteile, die außerhalb der Toleranzen liegen. Bei Schlechtteilen kann vorgesehen sein, dass bei einer Klassifizierung als Schlechtteil die jeweiligen Werkstücke automatisch aus dem Produktionsprozess ausgeschleust werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Feinbearbeitungsmaschine zur Feinbearbeitung einer Bohrung in einem Werkstück, deren Auswerteeinrichtung in wenigstens einem Auswertungsmodus dazu konfiguriert ist, eine Auswerteoperation des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Eine solche Feinbearbeitungsmaschine umfasst wenigstens eine Arbeitsstation, die einen Werkzeugträger sowie eine Werkstückhaltevorrichtung zum Halten des Werkstücks in einer 8

Arbeitsposition der Arbeitsstation aufweist. Weiterhin ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung von Arbeitsbewegungen des Werkzeugträgers und/oder der Werkstückhaltevorrichtung vorgesehen. Die Feinbearbeitungsmaschine umfasst weiterhin ein Messsystem zur Durchführung einer Formmessung der Bohrungsinnenfläche. Das Messsystem weist im betriebsfertig eingerichteten Zustand ein in die Bohrung einführbares Messwerkzeug zur Erfassung geometrierelevanter Messwerte auf. Das Messwerkzeug ist im betriebsfertig eingerichteten Zustand an den Werkzeugträger gekoppelt und kann, gesteuert über die Steuerung der Feinbearbeitungsmaschine, durch Arbeitsbewegungen des Werkzeugträgers und/oder des Werkstückträgers relativ zum Werkstück bewegt werden. Eine Auswerteeinrichtung der Feinbearbeitungsmaschine dient zur Auswertung der mittels des Messwerkzeugs erfassten geometrierelevanten Messwerte in einer Auswerteoperation zur Ermittlung wenigstens eines die Makroform der Bohrungsinnenfläche beschreibenden Formmesswerts.

Gemäß einer Weiterbildung handelt es sich bei dem Werkzeugträger um eine beweglich gelagerte Arbeitsspindel, welche mittels eines Drehantriebs um eine Spindelachse drehbar und mittels eines Hubantriebs parallel zur Spindelachse bewegbar ist.

Die Formmessung, also die Messung der Makroform, kann mit Standard-Messmitteln erfolgen, die auf der Feinbearbeitungsmaschine z.B. zur Verschleißkompensation bereits genutzt werden, so dass hier keine zusätzlichen Werkzeugkosten entstehen.

Das Messverfahren für die Formmessung kann bezüglich der Messwertaufnahme dem Verfahren für die Durchmesserauswertung für die Kompensation des Werkzeugverschleißes entsprechen, so dass verhindert wird, dass hier ein Messunterschied beispielsweise durch den Einfluss der Oberflächentopographie entsteht.

Bei manchen Ausführungsformen werden die Messungen mit einem pneumatischen Messsystem durchgeführt, das auch als „Luftmesssystem“ bezeichnet werden kann und nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip arbeitet. Bei diesen Systemen strömt Druckluft aus Messdüsen in Richtung Bohrungswandung. Der sich ergebende Staudruck im Bereich der Messdüsen dient als Maß für den Abstand der Messdüse zur Bohrungswandung. Mittels zweier diametral gegenüberliegender Messdüsen kann der Bohrungsdurchmesser ermittelt werden. Pneumatische Messsysteme ermöglichen ein berührungsloses, vom Werkstoff des Messobjekts unabhängiges Messen und im Rahmen ihres Messbereichs hohe Messgenauigkeiten in der Größenordnung weniger Mikrometer. Die Messdüsen sind im Falle von Inprozess-Messungen - 9 - in das Feinbearbeitungswerkzeug integriert, im Falle von Postprozess-Messungen können sie in einem speziellen Messdorn angebracht sein.

Das Messverfahren der pneumatischen Staudruckmessung erfasst beispielsweise den arithmetischen Mittelwert der Oberflächenrauheit als Bezugspunkt, während ein ebenfalls mögliches taktiles Verfahren je nach Größe des Tasters eher die Spitzen des Rauheitsprofils erfasst.

Die Auswertung der Messwerte auf der Feinbearbeitungsmaschine ist teilweise angelehnt an die Auswertung der Messung im Feinmessraum. Dies stellt eine hohe Vergleichbarkeit der Messwerte sicher, da auch die Signalverarbeitung bei der Messung im pm-Bereich einen Einfluss auf die Messergebnisse haben kann. Die Filterung der Rohmesswerte stellt sicher, dass keine „Ausreißer“ im Messergebnis durch Signalschwankungen entstehen. Die Auswertung nach mathematischen Methoden führt dazu, dass die Messergebnisse die real vorliegende Bohrungsform hinreichend korrekt abbilden. Insbesondere durch den Bezug auf ein Ausgleichselement (beispielsweise eine Ausgleichsgerade, einen Ausgleichskreis, einen Ausgleichszylinder, einen Ausgleichskonus o.dgl.) können genauere Messergebnisse erzielt werden, als wenn die Messwerte auf das Zentrum eines Messgerätes bezogen wären.

Die Messung auf der Feinbearbeitungsmaschine ist im Vergleich zur Messung in einem separaten Feinmessraum schnell durchführbar, da das Entladen aus der Feinbearbeitungsmaschine, das Reinigen und Temperieren der Werkstücke sowie das Ausrichten auf der Messmaschine entfallen. Die Messung auf der Feinbearbeitungsmaschine kann beispielsweise in wenigen Sekunden erfolgen, während für eine Messung im Feinmessraum ohne Weiteres 30 Minuten vergehen können.

Durch die Messung unter Produktionsbedingungen entfallen zusätzliche Maßabweichungen, die beispielsweise durch Temperaturdifferenzen zwischen Bearbeitungszustand und Feinmessraum entstehen können.

Während eine nachgelagerte Messung von Bohrungen im Feinmessraum mit hohen Kosten für Messmaschinen und qualifiziertes Personal sowie einer zeitlichen Verzögerung durch das notwendige Reinigen und Temperieren der Werkstücke sowie die in der Regel recht hohe Messzeit verbunden ist, bietet die erfindungsgemäße Integration einer Formmessung (Messung der Makroform der Bohrung) in eine Fertigungsmaschine einen hohen Mehrwert. Die Messergebnisse stehen praktisch sofort während der laufenden Produktion zur Verfügung, so dass schnell reagiert werden kann, falls es qualitative Abweichungen gibt. Durch die schnelle 10 und direkte Überwachung auf der Fertigungsmaschine kann die Anzahl der im Feinmessraum zu hohen Kosten zu messenden Werkstücken reduziert werden.

Im Feinmessraum werden in der Regel nur die fertig bearbeiteten Bohrungen nach der letzten Bearbeitungsoperation vermessen. Durch den zeitlichen Verzug für die Messung im Feinmessraum wird jedoch in der Regel bereits an der Maschine weitergearbeitet, so dass es sehr aufwendig ist, Messwerte zu ein und demselben Werkstück zu erhalten oder Messwerte von noch nicht auf allen Bearbeitungsoperationen bearbeiteten Bohrungen zu erfassen und dieses Werkstück dann weiter zu bearbeiten. Durch Integration der Messung in eine Fertigungsmaschine können zusätzlich im laufenden Betrieb sämtliche Bearbeitungsoperationen überwacht werden.

Bei zahlreichen Ausführungsformen ist eine Ermittlung von Rundheitswerten vorgesehen. Solche Verfahrensvarianten umfassen ein Rotieren des Messwerkzeugs um eine Messwerkzeugrotationsachse während der Messoperation zur Ermittlung von Messwerten entlang einer Umfangsrichtung der Bohrung in wenigstens einer Messebene sowie eine Ermittlung eines Rundheitswerts aus den Messwerten. Anders als bei vielen Formtestmaschinen ruht das Werkstück während der Messoperation, während sich das Messwerkzeug dreht. Zur Bestimmung der Rundheit der Bohrung wird aus dem gefilterten Profil ein Ausgleichskreis berechnet. Dieser Ausgleichskreis kann beispielsweise durch die Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmt werden.

Vorzugsweise wird zur Ermittlung des Rundheitswerts eine Berechnung eines Ausgleichskreises durch die gefilterten Messwerte (mittels Ausgleichsrechnung) sowie eine Bestimmung eines kleinsten Radius und eines größten Radius bezogen auf das Zentrum des Ausgleichskreises durchgeführt. Der Rundheitswert kann dann beispielsweise als Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Radius definiert sein. Der kleinste Kreis, der konzentrisch zum Zentrum des Ausgleichskreises außerhalb der Messwerte liegt, solle hier als Hüllkreis oder Außenkreis bezeichnet werden. Der größte zum Zentrum des Ausgleichskreises konzentrische Kreis, der innerhalb der Messwerte liegt, soll hier als Pferchkreis oder Innenkreis bezeichnet werden. Die Radiusdifferenz der konzentrischen Hüllkreise und Pferchkreise kann als Maß für die Rundheit bzw. als Rundheitswert genutzt werden.

Bei dieser Verfahrensvariante ist zu beachten, dass das Zentrum des Referenzkreises sich in der Regel vom Zentrum des Messsystems unterscheidet, sobald eine Abweichung von einer ideal runden Bohrung vorliegt. Die Messmethode ist somit besonders empfindlich für Rundheitsabweichungen. Gleichzeitig ist diese Verfahrensvariante besonders gut angepasst an 11 die Messwerterfassung auf der Feinbearbeitungsmaschine, da - anders als beim Stand der Technik der EP 2 378 242 B1 - darauf verzichtet werden kann, eine eventuelle Neigung des Messwerkzeugs in Bezug auf eine ideale Rotationsachse zu bestimmen. Mit anderen Worten: die exakte Lage und Orientierung der Rotationsachse des Messwerkzeugs muss bei dieser Vorgehensweise nicht bekannt sein. Die Lage des Zentrums des durch Ausgleichsrechnung bestimmten Referenzkreises wird erst durch die Ausgleichsrechnung bestimmt. Diese Vorgehensweise ist besonders gut angepasst an die Messung auf der Feinbearbeitungsmaschine.

Alternativ oder zusätzlich zu einer Rundheitsmessung ist es z.B. auch möglich, die Exzentrizität zu messen. Dazu wird der Mittelpunkt des Ausgleichskreises in Bezug zur (ortsfesten) Rotationsachse des Messwerkzeuges bestimmt. Durch Abstand und Richtung der Abweichung kann die Exzentrizität charakterisiert bzw. quantifiziert werden. Eine solche Messung kann sinnvoll sein, wenn beispielsweise die Lage einer bearbeiteten Bohrung in Bezug zur ortsfesten Rotationsachse) erfasst werden soll.

Gemäß einer Weiterbildung wird alternativ oder zusätzlich zur Ermittlung mindestens eines Rundheitswerts mindestens ein Geradheitswert bestimmt. Eine entsprechende Verfahrensvariante ist gekennzeichnet durch eine axiale Relativbewegung zwischen Messwerkzeug und Werkstück, z.B. durch ein axiales Bewegen des Messwerkzeugs parallel zur Spindelachse und damit auch zur Achsrichtung der Bohrung, während der Messoperation zur Ermittlung von Messwerten entlang einer achsparallelen Mantellinie und einer Ermittlung eines Geradheitsmesswerts aus diesen Messwerten. Die Messwerte werden also durch einen zur Bohrungsachse achsparallelen Scan entlang der Bohrungsinnenfläche ermittelt. Die Filterung kann analog zur Filterung bei einer Rundheitsmessung durchgeführt werden. Im Unterschied zur Rundheitsmessung ist jedoch das Referenzelement kein Ausgleichskreis, sondern eine Ausgleichsgerade. Der Geradheitswert kann beispielsweise als Abstand von zwei zur Ausgleichsgeraden parallelen Geraden minimalen Abstands definiert werden, die alle Messwerte einschließen.

Ein Vorteil der Messung auf der Feinbearbeitungsmaschine besteht dabei darin, dass bei Rundheitsmessungen die rotative Position des Messwerkzeugs aus der Geberposition des rotativen Antriebs und/oder bei Geradheitsmessungen die axiale Position des Messwerkzeugs aus der Geberposition des Hubantriebs der Arbeitsspindel der Feinbearbeitungsmaschine abgeleitet werden kann. Dadurch ist es nicht notwendig, zusätzliche Messtechnik wie beispielsweise einen gesonderten Drehgeber oder Weggeber zu installieren. 12

Alternativ oder zusätzlich kann ein Zylinderformwert ermittelt werden. Dieser kann z.B. aus dem ermittelten Rundheitswert und einem ermittelten Geradheitswert abgeleitet werden. Der Zylinderformwert kann beispielsweise als Abstand zweier koaxialer Zylindermantelflächen minimalen Abstands definiert sein, die alle Messwerte einschließen. Alternativ zur Berechnung der Zylinderform aus den berechneten Rundheits- und Geradheitsmesswerten ist auch eine Berechnung direkt aus den gefilterten rotativen und linearen Messwerten mit einem zylinderförmigen Referenzelement möglich.

Aus zwei sich an der Bohrungsmantelfläche gegenüberliegenden achsparallelen Einzelmessungen kann ein Parallelitätswert berechnet werden. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass eine Einzelmessung genutzt wird, um eine Ausgleichsgerade zu berechnen, während die beiden dazu parallelen Geraden minimalen Abstands die Messwerte der zweiten Einzelmessung an einer diametral gegenüberliegenden Bohrungsmantellinie einschließen müssen.

Es kann auch eine Konusmessung zur Ermittlung eines Konuswerts durchgeführt werden. Der Konuswert kann z.B. einen Konuswinkel der Bohrung oder in einem konischen Abschnitt der Bohrung repräsentieren.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird als Messwerkzeug ein Durchmessermesswerkzeug mit wenigstens einem Paar diametral gegenüberliegender Messsonden verwendet, Der Begriff „Durchmessermesswerkzeug“ bezeichnet hier ein für die Durchmessermessung geeignetes Messwerkzeug. Dazu gehören u.a. pneumatische Messdorne mit zwei diametral zur Messdornachse gegenüberliegenden Messdüsen und einem gemeinsamen Messkanal, der die Messinformation beider Messdüsen in Richtung Wandler und Auswerteeinrichtung überträgt. Insbesondere kann ein dediziertes pneumatisches Messwerkzeug ohne Werkzeugteile für den Materialabtrag genutzt werden.

Es ist auch möglich, dass die Messsonden in ein Feinbearbeitungswerkzeug integriert sind, so dass dieses ein kombiniertes Feinbearbeitungs- und Messwerkzeug ist.

Hier wird in Kauf genommen, dass bei Messmitteln mit mehreren Sensoren (beispielsweise bei einem pneumatischen Messdorn mit zwei gegenüberliegenden Messdüsen) gewisse Formabweichungen (etwa in Form eines dreieckigen oder eiförmigen Formfehlers) nicht vollständig erkannt werden können. Allgemein gesagt werden Rundheitsfehler, deren Ordnung um eine Stufe geringer oder höher ist als die Anzahl der Messsensoren, nicht vollständig erfasst. Auch eine Krümmung der Bohrung entlang der Bohrungsachse kann mit einem 13

Messdorn mit mehreren Düsen nicht vollständig erfasst werden. Dieser Einschränkung steht u.a. der Nutzen gegenüber, dass Messungen nur einen geringen Aufwand an Messzeit und mechanischen Komponenten verursachen. Dadurch kann die Messung direkt während der Produktion und zusätzlich auch an Operationen vor der Fertigbearbeitung eingesetzt werden.

Die Messsonden müssen nicht pneumatisch arbeiten, auch andere Funktionsprinzipien sind möglich, z.B. kapazitive Messsonden, mittels Induktion arbeitende Wirbelstrom-Messsonden oder Radar-Messsonden.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Messwerkzeug starr an eine Arbeitsspindel der Feinbearbeitungsmaschine angekoppelt. Die starre Ankopplung wird unter anderem deshalb genutzt, um Ausgleichsbewegungen des Messmittels zu verhindern, die die Messwerte negativ beeinflussen könnten.

Ein weiterer Vorteil der hier vorgeschlagenen Integration von Formmessungen in eine Feinbearbeitungsmaschine besteht darin, dass im laufenden Betrieb sämtliche Bearbeitungsoperationen überwacht werden können. Bei manchen Ausführungsformen ist auch vorgesehen, eine zeitliche Entwicklung mindestens eines Formmesswerts durch Verrechnen von mindestens zwei zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführten gleichartigen Messoperationen zu ermitteln. Beispielsweise können bestimmte Werkstücke über alle Bearbeitungsoperationen hinweg hinsichtlich der Rundheitsentwicklung der bearbeiteten Bohrung verfolgt werden. Entsprechendes gilt für die zeitliche Entwicklung der Geradheit oder anderer Formmesswerte, zum Beispiel Parallelität oder Zylinderform. Dies hat u.a. den Vorteil, dass beispielsweise abgeschätzt werden kann, ob es im zeitlichen Verlauf eine Schwankung der Messwerte oder einen Trend in eine Richtung gibt. Auch kann beobachtet werden, wie ein Chargenwechsel der Werkstück-Vorbearbeitung oder ein Prozesseingriff sich auf die Messwerte auswirkt

Bevorzugte Ausführungsformen von Feinbearbeitungsmaschinen, die gemäß der Erfindung konfiguriert sind und arbeiten können, sind gekennzeichnet durch eine Bedieneinrichtung zur Bedienung der Feinbearbeitungsmaschine, wobei in einem Betriebsmodus, der z.B. „Formmessung“ heißen kann, eine Bedienerabfrage zur Eingabe wenigstens einer zum Einrichten der Formmessung geeigneten Angabe generierbar ist bzw. generiert wird. Beispielsweise kann ein gewünschter Messmodus eingegeben werden. Dabei kann z.B. wenigstens eine der folgenden Messmodi gewählt werden: Zylinderform-Messung, Rundheitsmessung, Parallelitäts-Messung, Geradheitsmessung, Konizitäts-Messung, Vorweiten- bzw. Einschnürungs-Messung etc. 14

Weiterhin kann ein Filterkriterium (z.B. Gauß-Filter oder Spline-Filter) und ein dazu passender Filterparameter (z.B. wenigstens eine Grenzwellenlänge bei ausgewähltem Gauß-Filter) abgefragt werden.

Vorzugsweise können Ergebnisse der Formmessung an einer Anzeigeeinrichtung der Feinbearbeitungsmaschine in geeigneter Form angezeigt werden, z.B. als Zahlenwerte und/oder als leicht erfassbaren Grafik.

In der Regel werden Werkstücke auf einer Feinbearbeitungsmaschine auf einen festen Zieldurchmesser bearbeitet, der beispielsweise durch eine technische Zeichnung vorgegeben ist. Als Verfahrensvariante zu diesem „Zielmaßhonen“ existiert auch das sogenannte „Paarungshonen“. Beim Paarungshonen wird das Werkstück nicht auf einen festen Zieldurchmesser hin bearbeitet, sondern das Werkstück wird zu einem speziellen Gegenstück „gepaart“. Dazu wird die Geometrie des Gegenstücks vermessen und das zu bearbeitende Werkstück wird anschließend beispielsweise wenige pm größer gehont als der größte Durchmesser des Gegenstücks. Dieses Paarungshonen findet insbesondere dort Anwendung, wo ein enges Spaltmaß zwischen dem Werkstück und dem Gegenstück, beispielsweise einem Kolben, erreicht werden muss. Die Kolben selbst können jedoch (z.B. durch einen Beschichtungsprozess) eine Schwankungsbreite in der Außengeometrie aufweisen, die die Toleranz des resultierenden Spaltmaßes deutlich überschreitet.

Um die Geometrie der Kolben zu messtechnisch zu erfassen, kann eine sogenannte „Kolbenmessstation“ verwendet werden, die auf bzw. an der Feinbearbeitungsmaschine angebracht sein kann. Diese weist ein feststehendes ringförmiges Messwerkzeug mit nach innen weisenden Messdüsen auf. Durch dieses Messwerkzeug hindurch wird der Kolben axial bewegt. Es wird an einer oder mehreren definierten Stellen oder an der gesamten Außenkontur der Durchmesser erfasst. Ein aus dieser Kolbengeometrie generierter Kolbendurchmesser wird verwendet, um die Sollwerte der Honoperation(en) und der Bohrungsmessoperation(en) auf den jeweiligen Kolbendurchmesser anzupassen.

Im Gegensatz zum Messen der Form der Innenfläche einer Bohrung wird somit eine im Wesentlichen rotationssymmetrische Außenfläche eines Werkstücks gemessen. Das Werkstück wird bewegt, um es in das Messwerkzeug zu führen. Abgesehen von diesen Unterschieden kann die Auswertung der Messergebnisse analog zu der bisher beschriebenen Weise erfolgen.

Offenbart ist somit auch Feinbearbeitungsverfahren zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Bohrung in einem Werkstück auf einer Feinbearbeitungsmaschine, worin ein 15

Feinbearbeitungswerkzeug in einer Feinbearbeitungsoperation die Innenfläche der Bohrung materialabtragend bearbeitet und vor und/oder während der Feinbearbeitungsoperation eine Formmessung der Außenfläche eines zum Einführen in die Bohrung vorgesehenen Gegenstücks durchgeführt wird, indem das Gegenstück in ein ringförmiges Messwerkzeug positioniert und eine Relativbewegung zwischen Messwerkzeug und Gegenstück erzeugt wird, mittels des Messwerkzeugs geometrierelevante Messwerte erfasst werden und die Messwerte in einer Auswerteoperation zur Ermittlung wenigstens eines die Makroform der Außenfläche beschreibenden Formmesswerts ausgewertet werden. Die Auswertung der Messwerte kann gemäß der beanspruchten Auswerteoperation erfolgen.

Gemäß einer anderen Formulierung ist somit auch Folgendes offenbart. Ein Feinbearbeitungsverfahren zur materialabtragenden Feinbearbeitung einer Bohrung in einem Werkstück auf einer Feinbearbeitungsmaschine, worin ein Feinbearbeitungswerkzeug in einer Feinbearbeitungsoperation die Innenfläche der Bohrung materialabtragend bearbeitet und vor, während und/oder nach der Feinbearbeitungsoperation eine Formmessung einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen Werkstückoberfläche (Bohrungsinnenfläche und/oder Außenfläche eines Gegenstücks) durchgeführt wird, indem ein Messwerkzeug im Messeingriff mit dem Werkstück gebracht und eine Relativbewegung zwischen Messwerkzeug und Werkstück erzeugt wird, mittels des Messwerkzeugs geometrierelevante Messwerte erfasst werden und die Messwerte in einer Auswerteoperation zur Ermittlung wenigstens eines die Makroform der Werkstückoberfläche beschreibenden Formmesswerts ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteoperation folgende Schritte umfasst: Filtern der vom Messwerkzeug erzeugten Messwerte unter Verwendung eines Filterkriteriums und wenigstens eines Filterparameters zur Ermittlung gefilterter Messwerte; Durchführen einer Ausgleichsrechnung an den gefilterten Messwerten zur Ermittlung wenigstens eines an die gefilterten Messwerte angepassten Ausgleichselements nach Art eines Referenzelements aus der Gruppe Referenzkreis, Referenzgerade, Referenzzylinder, Referenzkegel, Referenzsphäre oder einer Kombination von rotationssymmetrischen Ausschnitten aus mindestens zwei der Referenzelemente; Ermittlung des Formmesswerts unter Verwendung mindestens einer geometrischen Eigenschaft des Ausgleichselements; Weiterverarbeiten des Formmesswerts zum Betrieb der Feinbearbeitungsmaschine.

Bei dem vermessenen Werkstück kann es sich um das mit der Bohrung versehene Werkstück und/oder um ein zur Bohrung passendes Gegenstück handeln, z.B. um einen Kolben. - 16 -

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Honmaschine mit integrierter Messstation;

Fig. 2A - 2C zeigen schematisch Schritte und Parameter einer Rundheitsmessung;

Fig. 3A, 3B zeigen schematisch Schritte und Parameter einer Geradheitsmessung;

Fig. 4 zeigt schematisch Parameter einer Messung der Zylinderform;

Fig. 5 zeigt schematisch Parameter einer Messung der Parallelität;

Fig. 6 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Parameter-Ansicht zur Eingabe von Sollwerten einer Rundheitsmessung an der Bedieneinheit einer Honmaschine;

Fig. 7 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Anzeige von Prozessdetails an der Bedieneinheit einer Honmaschine;

Fig. 8 zeigt eine grafische Anzeige von mehreren in einer Bohrung aufgezeichneten Rundheitsmessungen, dazugehörigen Messwerten und einem Bedienelement zur Verschiebung der Darstellung im Raum.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In Fig. 1 ist schematisch eine als Honmaschine konfigurierte Feinbearbeitungsmaschine 100 gezeigt, die im Rahmen verschiedener Ausführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren zur Feinbearbeitung von Innenflächen von Bohrungen in Werkstücken eingesetzt werden kann, um in herkömmlicher Weise eine oder mehrere Honoperationen an dem Werkstück auszuführen und am gleichen Werkstück ohne Umspannen des Werkstücks auch Formmessungen durchzuführen.

Auf dem Maschinenbett 105 der Honmaschine ist eine Honstation 200 und eine davon gesonderte Messstation 300 aufgebaut. An der als Honstation eingerichteten - 17 -

Bearbeitungsstation befindet sich eine Werkstückhaltevorrichtung 110, in der ein Werkstück 120 eingespannt ist. Das Werkstück enthält mindestens eine Bohrung 125, deren Innenfläche 126 durch Honen feinbearbeitet werden soll, um die Makroform der Bohrung im Rahmen der Fertigungstoleranzen nahe an eine Sollform zu bringen und dabei an der Innenfläche eine angestrebte Oberflächen-Mikrostruktur, z.B. charakterisierbar über Rauheitsparameter, zu erzeugen.

Ein maschineninternes Werkstücktransportsystem 108, das z.B. mit einem Rundschalttisch oder mit linearem Werkstück-Transfer ausgestattet sein kann, dient dem Transport eines fertig gehonten Werkstücks von der Honstation 200 zur Messstation 300 der Honmaschine 100. Das Werkstück verbleibt dazu in der Werkstückhaltevorrichtung 110 eingespannt und wird gemeinsam mit dieser durch maschineninternen Transport zur Messstation transportiert.

Die Honstation weist eine Honeinheit 150 auf. Die Honmaschine 100 kann mehrere im Wesentlichen identisch aufgebaute Honstationen bzw. Honeinheiten aufweisen, die abwechselnd oder gleichzeitig bei der Werkstückbearbeitung eingesetzt werden können.

Die Honeinheit 150 hat eine Antriebseinrichtung 155 mit einem Drehantrieb und einem Hubantrieb zur Steuerung der Arbeitsbewegung einer Arbeitsspindel, an deren unterem Ende eine Werkzeugaufnahme zur Ankopplung eines auswechselbaren Honwerkzeugs 160 angebracht ist. Dieses kann starr oder gelenkig angekoppelt sein und eine einzige Honleiste oder mehrere Honleisten oder andersartige Schneidstoffkörper aufweisen. Mit Hilfe des Hubantriebs kann die Arbeitsspindel parallel zur Rotationsachse axial hin- und her bewegt und mittels des Drehantriebs um die Rotationsachse 152 mit vorgebbaren Drehgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen gedreht werden. Die Honeinheit umfasst außerdem eine Zustelleinrichtung mit einem Aufweitantrieb zur Steuerung der radialen Aufweitung von Honwerkzeugen.

Der Drehantrieb (Spindelantrieb), der Hubantrieb und der Aufweitantrieb sind an eine Steuereinrichtung 180 angeschlossen, die ein funktionaler Bestandteil der Maschinensteuerung ist. Die Steuereinrichtung 180 enthält u.a. Einrichtungen für die Signalverarbeitung beim Zusammenspiel mit Aktoren und Sensoren der Honmaschine. Diese kommunizieren über Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen mit der Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann über eine Bedienoberfläche 195 einer Bedieneinrichtung 190 bedient werden. Die Bedieneinrichtung 190 umfasst im Beispiel ein Display bzw. einen Bildschirm 197 und ein Tastenfeld 198 und bildet die Bedienschnittstelle bzw. die Mensch-Maschine Schnittstelle (Human-Machine Interface, HMI) der Honmaschine, welche dem Benutzer die Kommunikation mit der Honmaschine ermöglicht. - 18 -

Über die Bedieneinrichtung 190 können unter anderem die folgenden Prozessparameter eingestellt werden: Lage des oberen Umsteuerpunkts und des unteren Umsteuerpunkts von Hubbewegungen. Dadurch sind die Hublänge und die Hublage definierbar. Drehzahl sowie Drehzahl-Charakteristik in den Umsteuerpunkten (unterschiedliche Charakteristika durch Honen mit oder ohne Drehzahlabsenkung im Bereich eines Umsteuerpunkts), Zustellgeschwindigkeit, Hubgeschwindigkeit, Beginn einer Honphase, Kurzhübe, Verweilzeiten des Hubes, maximale und minimale Spindeldrehmomente und Schnittdrücke zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses etc.

Die Messstation 300 weist Komponenten eines Messsystems 310 auf. Einige mechanische Komponenten des Messsystems 310 sind an einer Tragestruktur in Form eines vertikalen Ständers angebracht, der mechanisch fest mit dem Maschinengestell 105 der Feinbearbeitungsmaschine verbunden ist.

Die Werkstücke, deren Bohrungen (eine oder mehrere) mithilfe des Messsystems gemessen werden sollen, werden mithilfe des Werkstück-Transportsystems 108 zur Messung herantransportiert und danach abtransportiert. Das Werkstück 120 ist dabei in einer Werkstückhaltevorrichtung 110 aufgenommen, die auch bei der Bearbeitung an der Honstation im Einsatz war.

Das Messsystem 310 umfasst eine vertikal ausgerichtete Messeinheit 350, die in dem dargestellten, betriebsfertig eingerichteten Zustand einen (auswechselbaren) Messdorn 360 aufweist, der am unteren Ende einer Arbeitsspindel befestigt ist, mithilfe eines Hubantriebs einer Antriebseinheit 355 entlang eines im Wesentlichen vertikalen Fahrwegs parallel zu einer Messdornachse 352 vor und zurück bzw. auf und ab bewegt werden kann. Der Messdorn ist optional zusätzlich mithilfe eines Drehantriebs der Antriebseinheit 355 um die Messdornachse drehbar. Über den Drehantrieb ist es möglich, Messungen in beliebigen Radialrichtungen der zu messenden Bohrung zeitlich nacheinander durchzuführen. Der Messdorn ist starr an die Arbeitsspindel der Messstation angekoppelt, um Ausgleichsbewegungen des Messmittels zu verhindern, die die Messwerte negativ beeinflussen könnten.

Alle Arbeitsbewegungen werden mithilfe der Steuereinheit 180 der Honmaschine gesteuert. Diese umfasst auch Komponenten einer Auswerteeirichtung 185 zur Auswertung der Messsignale der Messeinheit.

Bei dem Messdorn 360 handelt es sich im Beispielsfall um einen pneumatischen Messdorn. Dieser weist im unteren Endbereich wenigstens ein Paar von Messdüsen 365 auf, die bezogen - 19 - auf die Messdornachse 352 diametral einander gegenüberliegend in einem bekannten festen Abstand zueinander angeordnet sind. Es gibt z.B. auch Messdorne mit drei Messdüsen (z.B. bei Teilen mit Querbohrungen in 3er-Teilung), 4-Düsen-Messdorne (dadurch kein Einfluss einer Ovalität) und Dorne mit sechs oder acht Messdüsen (z.B. bei sehr schmalen Stegen). In allen Fällen entspricht der Messwert am Messdorn dem Mittelwert der jeweiligen Abstände der Messdüsen zur Werkstückoberfläche

Pneumatische Messdorne arbeiten bekanntlich nach dem Düse-Prallplatte-Prinzip. Für die Messung wird Druckluft aus den Messdüsen in Richtung Bohrungswandung geblasen. Der sich ergebende Staudruck im Bereich der Messdüsen dient als Maß für den Abstand der Messdüse zu Bohrungswandung. Ein mit der Messdüse über eine Druckleitung verbundener Messwandler sorgt für eine Umwandlung des (pneumatischen) Drucksignals in ein elektrisch weiter verarbeitbares Signal. Mittels zweier diametral gegenüberliegender Messdüsen kann bei einem gegebenen diametralen Abstand zwischen den Messdüsen der Bohrungsdurchmesser ermittelt werden. Die Position einer Messdüse wird hier als effektive Position des Messsensors angesehen.

An der Messstation 300 können Messungen der Makroform der Bohrung 125 durchgeführt werden. Dazu ist die Auswerteeinrichtung 185 in wenigstens einem Auswertungsmodus dazu konfiguriert, aus den Messwerten des Messwerkzeugs (Messdorn 360) wenigstens einen Formmesswert zu ermitteln, der ein quantitatives Maß für die Makroform der Bohrungsinnenfläche angibt. Insbesondere können Angaben für die Rundheit der Bohrung, die Parallelität der Bohrungsmantellinien, die Zylinderform oder eine Konizität der Bohrung (d.h. der Abweichung von einem idealen Kegel(stumpf), ermittelt werden. Auch Makroformen mit Kombinationen daraus können gemessen werden, z.B. bei Bohrungen mit Trichterform, Flaschenform, Tonnenform oder Vorweiten an axialen Enden. Eine Vorweiten- bzw. Einschnürungs-Messung erfasst Radius oder kegelförmige Formabweichung an einem oder beiden Bohrungsenden, wobei Einschnürungen an beiden Enden einer Tonnenform der Bohrung entspricht und Vorweiten an beiden Enden einer balligen Bohrung entspricht. Am Beispiel einer Rundheitsmessung werden nachfolgend beispielhaft Abläufe erläutert.

Für eine Rundheitsmessung wird der Messdorn in wenigstens einer Messebene der Bohrung um seine Rotationsachse gedreht. Dabei werden zunächst (ungefilterte) Rohmesswerte RMW ermittelt, deren Verteilung in Bezug auf das Zentrum des Messsystems (Rotationsachse 352 des Messdorns 360) beispielsweise wie in Fig. 2A gezeigt aussehen kann. Die Rohmesswerte werden dann mittels eines digitalen Filters weiterverarbeitet, um die Rohmesswerte etwas zu glätten, ohne jedoch die gesuchte Rundheitsinformation zu eliminieren. Die Filterung wird unter 20

Anwendung eines Filterkriteriums und eines Filterparameters durchgeführt, der vorgegeben werden kann. Als Filterkriterium kann beispielsweise ein Gauß-Filter, ein robustes Gauß-Filter, ein Spline-Filter, ein robustes Spline-Filter oder ein RC-Filter verwendet werden. Im Beispielsfall wird ein Gauß-Filter in Verbindung mit wenigstens einer Grenzwellenlänge als Filterparameter genutzt. Möglich ist beispielsweise die Verarbeitung mittels eines Hochpassfilters, eines Tiefpassfilters oder eines Bandpassfilters. Für eine Rundheitsmessung wird zweckmäßigerweise ein Tiefpassfilter gewählt, um hochfrequente Signalanteile, die überwiegend auf Oberflächenrauheiten oder Störungen in der Signalerfassung, z.B. durch thermisches Rauschen, zurückgehen, zu eliminieren, die für die Makroform repräsentativen niederfrequenten Signalanteile jedoch für die weitere Auswertung zu behalten. Die Durchlasscharakteristik bei einer vorgebbaren Grenzwellenlänge kann beispielsweise 50 % oder 75 % betragen. Die Grenzwellenlänge kann abhängig vom Durchmesser der gemessenen Bohrung vorgegeben werden. Beispielsweise kann ein Gauß-Filter mit 50 % Durchlass und einer Grenzwellenlänge von 15, 50 oder 150 Wellen/Umdrehung verwendet werden. Fig. 2B zeigt ein Beispiel für gefilterte Messwerte FMW, die weniger verrauscht sind als die zugrunde liegenden Rohmesswerte RMW.

Zur Bestimmung der Rundheit der Bohrung wird in einem nächsten Auswertungsschritt ein Ausgleichskreis AK durch die gefilterten Messwerte FMW berechnet. Dieser Ausgleichskreis AK kann beispielsweise durch die Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmt werden. Dies bedeutet, dass der Radius des Ausgleichskreises sowie die Lage seines Zentrums ZAK so gewählt werden, dass die durch die Messwerte jeweils begrenzte Fläche außerhalb des Ausgleichskreises der entsprechenden Fläche innerhalb des Ausgleichskreises entspricht. Anders ausgedrückt kann der Ausgleichskreis AK so berechnet werden, dass die Fläche A2 außerhalb der Messwerte, die vom Ausgleichskreis AK begrenzt wird, den gleichen Flächeninhalt aufweist wie die Fläche A1 innerhalb der Messwerte, die ebenfalls vom Ausgleichskreis begrenzt wird. Fig. 2B zeigt ein Beispiel.

Ein Charakteristikum dieser Auswertung besteht darin, dass das Zentrum ZAK des Ausgleichskreises AK sich in der Regel vom Zentrum des Messsystems (also von der Lage der Rotationsachse 352 des Messdorns) unterscheidet, sobald eine Abweichung von einer ideal runden Bohrung vorliegt. Der kleinste Kreis, der konzentrisch zum Zentrum des Ausgleichskreises außerhalb der Messwerte liegt, wird hier als Hüllkreis HK bezeichnet. Der größte zum Zentrum des Ausgleichskreises konzentrische Kreis, der innerhalb der Messwerte liegt, wird hier als Pferchkreis PK bezeichnet. Als Maß für die Rundheit RUND wird hier die Radiusdifferenz zwischen dem Hüllkreis und dem dazu konzentrischen Pferchkreis verwendet (Fig. 2C). - 21

Dieser Unterschied kann genutzt werden, um basierend auf einer Rundheitsmessung auch eine Exzentrizitätsmessung durchzuführen. Dazu wird der Mittelpunkt bzw. das Zentrum ZAK des Ausgleichskreises in Bezug zur (ortsfesten) Rotationsachse des Messwerkzeuges bestimmt. Der Abstand EXZ zwischen den Zentren kann dazu genutzt werden, die Exzentrizität zu quantifizieren. Eine solche Messung kann z.B. sinnvoll sein, wenn beispielsweise die Lage einer bearbeiteten Bohrung in Bezug zur ortsfesten Rotationsachse erfasst werden soll.

Das Messsystem und seine Auswerteeinrichtung sind auch dazu in der Lage, neben einer Rundheitsmessung auch eine Geradheitsmessung einer Bohrungsmantelfläche parallel zur Bohrungsachse durchzuführen. Dazu wird der Messdorn ohne Eigenrotation parallel zur Bohrungsachse in der Bohrung bewegt und Messwerte für eine vorgebbaren Drehstellung des Messdorns 360 in Abhängigkeit von der Axialposition erfasst. Die dabei ermittelten Rohmesswerte RMW (Fig. 3A) werden dann analog zur Ermittlung der Rundheit weiterverarbeitet. Die Filterung zur Ermittlung der gefilterten Messwerte FMW (Fig. 3B) geschieht analog zur Rundheitsmessung, jedoch ist das Referenzelement hier kein Ausgleichskreis, sondern eine Ausgleichsgerade AG. Der Messwert GER für die Geradheit entspricht dann dem Abstand von zwei zur Ausgleichsgerade parallelen Geraden minimalen Abstands, die alle (gefilterten) Messwerte einschließen (Fig. 3B)

Aus zwei sich an der Bohrungsmantelfläche gegenüberliegenden achsparallelen Einzelmessstrecken lässt sich auch die Parallelität PAR berechnen, indem eine Messung genutzt wird, um eine an die gefilterten Messwerte FMW angepasste Ausgleichsgerade AG zu berechnen, während die beiden dazu parallelen Geraden G1, G2 minimalen Abstands die Messwerte der zweiten Messung einschließen müssen (Fig. 5)

Das Messsystem ist außerdem dafür eingerichtet, aus mehreren Rundheits- und Geradheitsmessungen einen Zylinderform-Messwert zu berechnen. Dieser beschreibt den Abstand zweier koaxialer Zylindermantelflächen Z1, Z2 minimalen Abstands, die alle gefilterten Messwerte FMW einschließen (vgl. Fig. 4)

Diese beispielhaften Auswertungen auf der Feinbearbeitungsmaschine sind angelehnt an korrespondierende Auswertungen von Messungen in einem Feinmessraum. Dies stellt eine hohe Vergleichbarkeit der Messwerte sicher, da auch die Signalverarbeitung bei einer Messung im Mikrometer-Bereich einen Einfluss auf die Messergebnisse haben kann. Die Filterung der Rohmesswerte stellt sicher, dass keine Ausreißer im Messergebnis durch Signalschwankungen entstehen. Dennoch führt die Auswertung nach mathematischen Methoden dazu, dass die Messergebnisse die real vorliegenden Bohrungsformen korrekt abbilden. Insbesondere durch 22 den Bezug auf die Ausgleichselemente (beispielsweise die Ausgleichsgerade oder den Mittelpunkt des Ausgleichskreises) werden nach den Erfahrungen der Erfinder genauere Messergebnisse erzielt, als wenn die Messwerte auf das Zentrum des Messgeräts bezogen werden (also auf die Lage der Rotationsachse des Messdorns).

Eine Messung auf der Feinbearbeitungsmaschine ist im Vergleich zu einer externen Messung, z.B. in einem Feinmessraum, relativ schnell durchführbar, da das Entladen aus der Feinbearbeitungsmaschine, das Reinigen und Temperieren der Werkstücke sowie das Ausrichten auf der Messmaschine entfallen. Messungen können beispielsweise im Größenordnungsbereich von 15 s auf der Bearbeitungsmaschine erfolgen, während für Messungen im Feinmessraum typischerweise mindestens 30 min zu veranschlagen sind.

Durch die Messung unter Produktionsbedingungen entfallen zusätzliche Maßabweichungen, die beispielsweise durch Temperaturdifferenzen zwischen Bearbeitungszustand und Feinmessraum entstehen können.

Im Vergleich zu einer Messung der Ovalität der Bohrung mit einem Messdorn mit fester Rotationsposition und zwei zueinander um 90° versetzt diametral angeordneten Düsenpaaren auf zwei Messkanälen ist mit der Rundheitsmessung der hier beschriebenen Art sichergestellt, dass auch eine Engstelle oder Ausbeulung, die zwischen den Messdüsenpaaren liegt, gefunden wird.

Die für eine geplante Messung bevorzugten Messparameter können durch einen Bediener bequem an der Bedieneinrichtung 190 eingegeben werden. Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Parameter-Ansicht zur Eingabe von Sollwerten einer Rundheitsmessung RM. Oberhalb der gestrichelten Linie befinden sich Eingaben der Kategorie „Messwertaufbereitung“ MWA. Parameter AGR beschreibt die Ausschussgrenze in Mikrometer. Dies bedeutet, dass Werkstücke mit einem Rundheitsfehler, der diesen Grenzwert überschreitet, als Schlechtteile verworfen werden. Der Parameter FW gibt die Anzahl der Filter-Wellen pro Umdrehung (W/U) an. Je weniger Wellen angegeben werden, desto stärker ist der Glättungseffekt. Umgekehrt wird die Oberflächenmikrostruktur in den gefilterten Messwerten umso sichtbarer, je höher die Anzahl der Filterwellen ist. Der Parameter „Filtercharakteristik“ (FC) gibt an, auf welchen prozentualen Wert die Amplitude der Ursprungssignale bei der Filter-Wellenlänge FW abgesunken ist. Mit diesem Parameter lässt sich die Flankensteilheit bzw. die Dämpfung des Filters im Übergangsbereich beschreiben. Je höher der prozentuale Wert, desto „weicher“ ist der Übergang zwischen den durchgelassenen und den herausgefilterten Signalamplituden in der Nähe der Filter-Wellenlänge FW. - 23 -

Unter der Kategorie AB (Achsbewegungen) kann im Feld MZ (Messzeit) die Messzeit in Sekunden pro Messebene eingegeben werden. Parameter DR betrifft die Drehrichtung der Arbeitsspindel für die Messung.

Mithilfe dieses Bedienfensters kann ein Bediener bequem die Messcharakteristik der nachfolgenden Rundheitsmessung vorgeben. Für die Messung anderer Formparameter (beispielsweise Geradheit, Zylinderform etc.) werden analoge Eingabemasken vom Bediensystem generiert.

Fig. 7 zeigt beispielhaft eine typische Anzeige von Prozessdetails DET. Basierend darauf kann ein Bediener einen Eindruck über die Qualität des Werkstücks erlangen, das die Honstation gehont und die Messstation vermessen hat. Im oberen linken Quadrant sind Honparameter sichtbar, nämlich die Lage des oberen Umsteuerpunkts UO, die Lage des unteren Umsteuerpunkts UU sowie die Spindeldrehzahl DZ. Im oberen rechten Quadrant ist eine beispielhafte Durchmesser-Visualisierung angegeben, durch die der Charakter der Bohrung auf einen Blick sichtbar wird. Für drei mit Abstand zueinander liegende Messebenen (oben, Mitte, unten) werden mit farbigen Balken die Durchmesserwerte qualitativ mit Solldurchmesserwerten verglichen. Während die beiden oberen Durchmessermesswerte innerhalb des Toleranzbereichs liegen und dementsprechend grün angezeigt werden, erscheint der untere Durchmessermesswert in Gelb, was auf eine Tendenz zum Verlassen des Toleranzbereichs verweist. Der Zahlenwert darunter gibt den resultierenden Durchschnittswert für den Bohrungsdurchmesser an.

In dem unteren linken Quadrant wird der Rundheits-Messwert RUND (im Mikrometern) eingeblendet, der durch die vorher beschriebene Rundheitsmessung ermittelt wurde. Darunter befindet sich ein Farbbalken, der wahlweise den Werkzeugverschleiß oder einen Vergleich des Rundheitsmesswerts mit einem Sollwert angeben kann. Solange der Balken grün erscheint, sind Werkzeugverschleiß und/oder Rundheitsmesswert unkritisch. Ein Farbwechsel zu Gelb deutet eine Tendenz zum Verlassen der Toleranz an, bei einem roten Farbbalken liegt der Werkzeugverschleiß und/oder die Rundheit außerhalb der Toleranzen.

Will ein Bediener nach Abschluss einer Rundheitsmessung einen einprägsamen visuellen Eindruck der gemessenen Rundheit bekommen, so kann er auf die in Fig. 8 dargestellte Visualisierung der Rundheit (VIS-R) schalten. Dort ist im mittleren Bereich schrägperspektivisch die mehr oder weniger kreisförmige Verteilung von Rundheitsmesswerten in drei Ebenen angezeigt. Der obere Kreis stellt die Rundheit nahe am oberen Bohrungsende dar, die im Zahlenfeld rechts in Mikrometern angegeben wird. Entsprechendes gilt für das untere Ende der 24

Bohrung sowie für die Rundheit mittig im Werkstück zwischen den axialen Enden. Aus den angegebenen Größen der Einzelrundheit ergibt sich die Gesamtrundheit RUND. Auf einen Blick ergibt sich auch, dass die Bohrung des Beispielsfalls leicht nach innen tailliert ist.

Im linken Teil des Bildfelds ist ein Slider mit einem virtuellen Betätigungsknopf dargestellt, der mittels Wischens über den Bildschirm oder Touch-Geste an einer bestimmten Stelle nach oben oder unten bewegt werden kann, um die Perspektive der Darstellung zu ändern. Die mittige Position ergibt eine Blickrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Bohrungsachse, ein Verschieben an die obere oder untere Endstellung erlaubt einen Blick mehr oder weniger parallel zur Bohrungsachse. Die Zwischenstellungen können stufenlos eingestellt werden.

Die Möglichkeit der Formmessung auf der Feinbearbeitungsmaschine bietet eine ganze Reihe zusätzlicher Vorteile und Möglichkeiten. Besonders vorteilhaft kann es sein, zeitkritische Abläufe nicht mit jedem Werkstück, sondern nur nach einem festgelegten Intervall sowie nach kritischen Ereignissen (zum Beispiel Wechsel des Honwerkzeugs, längerer Maschinenstillstand, mehrere Ausschussteile in Folge) und/oder auf Anforderung durch den Bediener durchzuführen. Dies spart Taktzeit und stellt gleichzeitig sicher, dass bei Bedarf immer wieder alle Messwerte erfasst werden.

Wenn das Intervall frei parametrierbar ist, bietet dies weitere Vorteile. Bei geringerer Schwankungsbreite der Messergebnisse kann ein größeres Intervall bis zur nächsten Messung vorgegeben werden. Wenn die Schwankungsbreite der Messergebnisse hoch ist und zusätzlich der Abstand zur Toleranzgrenze gering, dann sollte ein niedrigeres Intervall gewählt werden. Das niedrigste Intervall bedeutet, dass jede Bohrung gemessen wird.

Eine optionale Synchronisation aller Operationen führt dazu, dass bei einer nur nach Ablauf des Messintervalls durchzuführenden Einzelmessung zuverlässig alle Messungen parallel ausgeführt werden (anstatt dass zu unterschiedlichen Zeitpunkten an mehreren Operationen jeweils nur eine Messung ausgeführt wird, während die weiteren Stationen warten). Dies hat den Vorteil, dass die Taktzeit der Maschine nur selten für die Messung verlängert werden muss, während ansonsten die Maschine schneller produziert.

Die Anzahl und Position der Messungen für die Parallelität und Rundheit können parametriert werden. Dadurch kann ein guter Kompromiss aus zeitlichem Aufwand für die Messung und Nutzen vorgegeben werden. - 25 -

Die Durchlasscharakteristik des Messwertfilters und die Art des Messwertfilters können parametrierbar sein, um eine Anpassung an das jeweilige Werkstück und einen Abgleich an den Feinmessraum zu ermöglichen.

Neben einer Auswertung der Parallelität über die gesamte Bohrung ist eine zusätzliche Auswertung im oberen und unteren Teil der Bohrung möglich. Dies bietet Vorteile, da damit beispielsweise eine Korrektur der Bohrungsform durch Anpassung der Umsteuerpunkte der Oszillation erleichtert wird.

Neben der Auswertung von Parallelitäten, Rundheiten und sonstigen Formkennwerten ist es mit den mathematischen Methoden auch möglich, Merkmale nach der Norm DIN EN ISO 14405-1 (Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Dimensionelle Tolerierung - Teil 1: Lineare Größenmaße) wie beispielsweise das größte einbeschriebene Größenmaß „GX“ zu bestimmen. Dieses Maß entspricht dem Durchmesser des größten Kreises, der innerhalb der Messwerte platziert werden kann.