MESSUNG VON KENNGRÖSSEN EINES FEINBEARBEITUNGSWERKZEUGS

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung mindestens einer Kenngrösse eines Feinbearbeitungswerkzeugs, insbesondere des Aussendurchmessers des Feinbearbeitungswerkzeugs.

STAND DER TECHNIK

Bei der Hartfeinbearbeitung eines Zahnrades wird, ähnlich einem Schneckenradgetriebe, eine Schleifschnecke in Eingriff mit dem zu bearbeitenden Zahnrad gebracht, oder es wird eine Profilschleifscheibe mit dem Zahnrad in Eingriff gebracht.

Eine Schleifschnecke ist geometrisch durch eine Vielzahl von Kenngrössen charakterisierbar. Wichtige Kenngrössen sind insbesondere der Aussendurchmesser, die Schneckenbreite, der Modul, die Steigung und die Gangzahl. Auch eine Profilschleifscheibe ist durch verschiedene Kenngrössen charakterisierbar, darunter ebenfalls der Aussendurchmesser und die Scheibenbreite.

Häufig kommen Schleifwerkzeuge zum Einsatz, die abrichtbar sind, insbesondere Schleifwerkzeuge auf Korundbasis. Derartige Schleifwerkzeuge müssen von Zeit zu Zeit abgerichtet (nachprofiliert) werden. Dies erfolgt normalerweise direkt in der Maschine, z.B. zwischen zwei Bearbeitungsprozessen, mittels eines Abrichtwerkzeuges. Durch diesen Abrichtprozess, aber auch durch den Schleifprozess selbst, nützt sich das Schleifwerkzeug ab. Insbesondere wird der Aussendurchmesser laufend kleiner. Von Zeit zu Zeit muss das Schleifwerkzeug, bedingt durch die Abnützung oder weil ein anderes Zahnrad geschliffen werden soll, ausgetauscht werden. Die Kenngrössen des Schleifwerkzeugs werden beim Werkzeugwechsel meist manuell vom Bediener in die Maschinensteuerung eingegeben. Dabei besteht jedoch immer die Gefahr, dass falsche Kenngrössen in der Maschinensteuerung eingespeichert werden. Die Gefahr einer Fehleingabe besteht insbesondere beim Aussendurchmesser, weil sich dieser, wie vorstehend erläutert wurde, im Laufe der Bearbeitung ändern kann.

Aus DE 199 10 747 AI ist ein mechanisch-berührendes Verfahren zur automatischen Erkennung des Aussendurchmessers mit Hilfe des Abrichtwerkzeugs bekannt. Dazu wird bei rotierendem Schleifwerkzeug der Abstand zwischen Abrichtwerkzeug und Schleifwerkzeug laufend verringert, bis das Abrichtwerkzeug das Schleifwerkzeug an seinem Aussenumfang berührt. Diese Berührung wird akustisch erkannt.

Da nicht sicher ist, ob bei einem Werkzeugwechsel der Aussendurchmesser des Schleifwerkzeugs korrekt eingegeben wurde, muss dieses Verfahren mit grösster Vorsicht eingesetzt werden, um eine Beschädigung des Schleifwerkzeugs zu vermeiden. Folgendes Vorgehen ist dabei möglich: Zunächst verringert die Maschine den Abstand zwischen Schleifwerkzeug und Abrichtwerkzeug mit hoher Geschwindigkeit bis hin zu einem sicheren Abstand, bei dem auch bei einer Fehleingabe des Aussendurchmessers noch keine Kollisionen zu befürchten sind. Danach verringert die Maschine den Abstand zwischen Schleif- und Abrichtwerkzeug mit stark reduzierter Geschwindigkeit, während sich das Schleifwerkzeug dreht, bis eine Berührung detektiert wird.

Anschliessend können gegebenenfalls weitere Kenngrössen des Schleifwerkzeugs bestimmt werden. Insbesondere wenn das Schleifwerkzeug eine Schleifschnecke ist, kann in einem nächsten Schritt das Schleifwerkzeug von der Seite her zum Abrichtwerkzeug hin verfahren werden, bis wiederum eine Berührung detektiert wird. Dadurch kann die Lage der Stirnseiten der Schleifschnecke festgestellt werden. Da sich die Schleifschnecke dreht, erfolgt die Berührung periodisch in Abhängigkeit von der Lage der Gänge der Schleifschnecke. Auf diese Weise werden Anzahl und Winkellage der Gänge erkannt. Nun kann die Schleifschnecke relativ zum Abrichtwerkzeug derart verfahren werden, dass das Abrichtwerkzeug in eine erste, im vorhergehenden Schritt erfasste Zahnlücke der Schleifschnecke eintaucht. Dort können auf einer ersten Zahntiefe die beiden Flanken der Zahnlücke durch Detektion der Berührung vermessen werden. Derselbe Messvorgang kann anschliessend auf einer zweiten Zahntiefe nochmals ausgeführt werden. Diese Vermessung der Schleifschneckenflanken kann für jeden Schleifschneckengang wiederholt werden. Schliesslich kann die Schleifschnecke noch näher zum Abrichtwerkzeug bewegt werden, um den Innendurchmesser zu bestimmen.

Auch Profilschleifscheiben können mit derartigen berührenden Verfahren vermessen werden. Derartige berührende Verfahren zum Vermessen des Schleifwerkzeugs benötigen jedoch verhältnismässig viel Zeit.

Es besteht daher ein Bedarf für Vorrichtungen und Verfahren, die es ermöglichen, enngrössen eines Schleifwerkzeugs, insbesondere dessen Aussendurchmesser, zuverlässig, schnell und präzise zu ermitteln.

DE 100 12 647 AI offenbart ein Verfahren zum Positionieren eines Werkstücks relativ zu einem Werkzeug, bei dem ein Linienlaser eingesetzt wird. Die Strahlenebene des Linienlasers steht senkrecht zur Werkstückachse. Sie wird relativ zum Werkstück so lange verschoben, bis sie mit einer der Stirnseiten des Werkstücks in Deckung kommt. Auf diese Weise wird die Lage der Stirnseiten des Werkstücks bestimmt.

EP 2 284 484 AI offenbart ein Verfahren, bei dem ein Aufmass an einem zu bearbeitenden Zahnrad durch Vermessung einer Zahnflanke mittels eines Lasers bestimmt wird.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine Feinbearbeitungsmaschine zur Verfügung, mit der sich eine oder mehrere Kenngrössen eines Feinbearbeitungswerkzeugs, insbesondere der Aussendurchmesser, auf einfache Weise und in kurzer Zeit ermitteln lassen. Das Feinbearbeitungswerkzeug kann insbesondere ein Schleifwerkzeug (Schleifschnecke oder Profilschleifscheibe) sein.

Eine derartige Feinbearbeitungsmaschine ist im Anspruch 1 angegeben. Weitere Ausfuhrungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Es wird also eine Maschine zur Feinbearbeitung von verzahnten Werkstücken angegeben, welche aufweist:

einen Werkzeugträger;

eine am Werkzeugträger angebrachte Werkzeugspindel zum Aufspannen eines Feinbearbeitungswerkzeugs;

einen Werkzeugspindelantrieb, um die Werkzeugspindel zu einer Drehung um eine Werkzeugspindelachse anzutreiben;

dadurch gekennzeichnet, dass die Maschine aufweist:

mindestens einen Abstandssensor; und

eine Steuereinrichtung, die dazu ausgebildet ist, mittels des Abstandssensors mindestens eine Kenngrösse des Feinbearbeitungswerkzeugs zu ermitteln. Der Abstandssensor kann insbesondere ein berührungslos arbeitender Abstandssensor sein. Bevorzugt ist der Abstandssensor ein optisch arbeitender Abstandssensor, der einen Messlichtstrahl erzeugt. Dabei können die Werkzeugspindel und der Abstandssensor insbesondere derart zueinander ausrichtbar sein, dass die Strahlrichtung die Werkzeugspindelachse schneidet, um den Werkzeugaussendurchmesser zuverlässig durch eine Abstandsmessung bestimmen zu können. Es ist aber auch denkbar, dass der Abstandssensor derart ausrichtbar ist, dass die Strahlrichtung parallel zur Werkzeugspindelachse verläuft. Der Werkzeugaussendurchmesser lässt sich dann z.B. dadurch erkennen, dass der Abstandssensor Abstände für eine Vielzahl von Positionen radial zur Werkzeugspindelachse ermittelt und den Werkzeugaussendurchmesser dadurch erkannt wird, dass sich der so ermittelte Abstand an der radialen Position, die dem Werkzeugaussendurchmesser entspricht, sprungartig ändert.

In anderen Aus führungs formen kann der Abstandssensor z.B. ein induktiv arbeitender Abstandssensor sein. Auch andere Arten von berührungslos arbeitenden Abstandssensoren sind denkbar. Mit derartigen berührungslos arbeitenden Abstandssensoren können Kenngrössen sehr schnell und zuverlässig ermittelt werden.

Alternativ zu einem berührungslos arbeitenden Sensor kann auch ein berührend arbeitender Sensor, beispielhaft ein mechanisch tastender Wegmess-Sensor, verwendet werden. Dieser kann eine breite Tastfläche, z.B. eine Tastfläche mit einer Breite grösser als 5 mm, bevorzugt grösser als 10 mm oder sogar grösser als 20 mm entlang der Werkzeugspindelasche, aufweisen, damit auch bei grösstem Modul stets der Aussendurchmesser berührt wird. Er kann bevorzugt gefedert ausgeführt sein, damit selbst bei hoher Antastgeschwindigkeit das Schleifwerkzeug nicht beschädigt wird.

Mittels des Abstandssensors wird mindestens eine Kenngrösse des Feinbearbeitungswerkzeugs bestimmt. Bei der Kenngrösse kann es sich insbesondere um den Aussendurchmesser handeln. Stattdessen oder zusätzlich können, abhängig von der Art des Feinbearbeitungswerkzeugs und abhängig von der Art des Abstandssensors, auch weitere Kenngrössen ermittelt werden. Wenn das Feinbearbeitungswerkzeug eine Schleifschnecke ist, können die entsprechenden Kenngrössen z.B. die Anzahl, Winkellage und Tiefe der Schleifschneckengänge, die Lage der Stirnseiten der Schleifschnecke, die Schleifschneckenbreite, den Modul, die Steigung usw. umfassen. Wenn das Feinbearbeitungswerkzeug eine Profilschleifscheibe ist, können die entsprechenden Kenngrössen z.B. die Länge und Form der Flanken der Schleifscheibe, die Schleifscheibenbreite usw. charakterisieren. Um die Abstandsmessung durchzuführen und aus Abstandsmessungen Kenngrössen zu ermitteln sowie gegebenenfalls weitere Berechnungen durchzuführen, weist die Steuereinrichtung mindestens einen Prozessor sowie entsprechende Software zur Ausführung auf dem Prozessor auf. Die Steuereinrichtung muss nicht notwendig eine einzelne Einheit sein. So weist die Feinbearbeitungsmaschine vorzugsweise eine CNC- Steuerung auf. Mindestens ein Teil der Steuereinrichtung kann z.B. in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem Abstandssensor angeordnet sein, und/oder mindestens ein Teil der Steuereinrichtung kann separat vom Abstandssensor in der CNC-Steuerung der Feinbearbeitungsmaschine ausgebildet sein. Bei dem Feinbearbeitungswerkzeug kann es sich insbesondere um ein abrichtbares Feinbearbeitungswerkzeug handeln. Die erfmdungsgemässe Feinbearbeitungsmaschine ist aber auch im Zusammenhang mit abrichtfreien Werkzeugen von Vorteil, da es auch bei abrichtfreien Werkzeugen nützlich sein kann, Kenngrössen dieser Werkzeuge zu ermitteln. Im Falle von abrichtbaren Werkzeugen ermöglicht es die erfindungsgemässe Feinbearbeitungsmaschine, die Vorbereitungszeit für das Abrichten erheblich zu verkürzen. Insbesondere mittels einer berührungslosen, z.B. optischen Messung lässt sich der Aussendurchmesser sehr schnell bestimmen. Dasselbe gilt, wenn auch in geringerem Ausmass, auch für einen gut gefederten mechanischen Abstandssensor. Wenn erst einmal der Aussendurchmesser bekannt ist, kann der Abstand zwischen Feinbearbeitungswerkzeug und Abrichtwerkzeug sehr schnell verringert werden, bis das Abrichtwerkzeug das Feinbearbeitungswerkzeug nahezu berührt. Wenn zusätzlich auch die Lage der Schleifschneckengänge bestimmt wird, wie das insbesondere mit optischen oder induktiven Sensoren möglich ist, kann das Abrichtwerkzeug direkt in die Schleifschneckengänge eingefädelt werden.

Bei der Feinbearbeitung durch Schleifen ist in der Regel eine hohe Schnittgeschwindigkeit erwünscht. Idealerweise wird die Schnittgeschwindigkeit innerhalb einer Serie von zu schleifenden Zahnrädern im Wesentlichen konstant gehalten, auch wenn sich der Aussendurchmesser des Schleifwerkzeugs durch Abnutzung und Abrichtvorgänge nach und nach verkleinert. Das bedingt, dass die Drehzahl des Schleifwerkzeugs mit sinkendem Werkzeugdurchmesser erhöht wird. Allerdings besteht dabei die Gefahr, dass eine solche Anpassung durch den Bediener unterbleibt oder dass versehentlich eine Drehzahl eingestellt wird, die über der maximal zulässigen Drehzahl des Schleifwerkzeugs beim gegebenen Durchmesser liegt. Im Extremfall kann das zum Bersten des Schleifwerkzeugs führen. Dies stellt ein erhebliches Sicherheitsproblem dar.

In einer Weiterbildung ist die Steuereinrichtung daher dazu ausgebildet, den Werkzeugspindelantrieb derart anzusteuern, dass die Werkzeugspindel in Abhängigkeit vom ermittelten Aussendurchmesser ihre Drehzahl ändert. Insbesondere kann die Steuereinrichtung entsprechende Software aufweisen. Auf diese Weise wird es insbesondere möglich, die Drehzahl derart zu steuern, dass die Oberflächengeschwindigkeit am Aussenumfang des Feinbearbeitungswerkzeugs im Wesentlichen konstant bleibt, auch wenn sich der Aussendurchmesser des Feinbearbeitungswerkzeugs mit der Zeit ändert. Auf diese Weise erfolgt die Bearbeitung des Werkstücks im Wesentlichen mit konstanter Schnittgeschwindigkeit. Damit kann eine gleichbleibende Qualität sichergestellt werden, selbst wenn das Feinbearbeitungswerkzeug mehrmals abgerichtet wurde. Gleichzeitig wird die Sicherheit verbessert, weil die Drehzahl nicht versehentlich zu hoch eingestellt werden kann. Eine Verbesserung der Sicherheit kann auch dadurch erreicht werden, dass die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, den Werkzeugspindelantrieb derart anzusteuern, dass die Werkzeugspindel eine in Abhängigkeit vom ermittelten Aussendurchmesser veränderliche maximal zulässige Drehzahl nicht überschreitet. Die entsprechende maximal zulässige Drehzahl kann dazu z.B. für ausgewählte Werte des Aussendurchmessers in der Steuereinrichtung in Form einer Look-up-Tabelle hinterlegt sein, wobei die Steuereinrichtung auf diese Tabelle zugreifen kann und daraus die maximal zulässige Drehzahl interpolieren kann.

Wenn das Feinbearbeitungswerkzeug eine Schleifschnecke ist, können aus den vorzugsweise berührungslosen Abstandsmessungen für verschiedene Drehwinkel der Schleifschnecke insbesondere die Anzahl und die Winkellage der Schleifschneckengänge ermittelt werden. Auch hierfür kann die Steuereinrichtung entsprechende Software aufweisen. Dies erleichtert das Einfädeln des Abrichtwerkzeugs oder des ersten Werkstücks einer Serie in die Schleifschneckengänge.

Wird das Schleifwerkzeug während des Abrichtvorgangs oder während des Schleifvorgangs beschädigt (sogenannter Schleifscheibenausbruch), so wird dies im Stand der Technik üblicherweise nicht automatisch erkannt. So erfolgt das einleitend geschilderte berührende Vermessen von Schleifschnecken mit dem Abrichtwerkzeug üblicherweise nur in einem kleinen Breitenbereich, bezogen auf die gesamte Schneckenbreite. Daher können Beschädigungen im Allgemeinen nicht zuverlässig erkannt werden. Das Schleifwerkzeug muss daher vor jedem Schleifzyklus visuell vom Bediener auf Beschädigungen untersucht werden. Ob Beschädigungen erkannt werden, hängt dabei von der Sorgfalt des Bedieners bei der visuellen Inspektion ab.

Um Schleifscheibenausbrüche leichter erkennen zu können, ist die Steuereinrichtung in einer Weiterbildung dazu ausgebildet, mittels des Abstandssensors Abstandsmessungen für eine Vielzahl von Positionen entlang der Werkzeugspindelachse und für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Feinbearbeitungswerkzeugs durchzuführen, um so ein Abbild mindestens eines Bereichs der Oberfläche des Feinbearbeitungswerkzeugs zu erhalten. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung für eine Vielzahl von Drehwinkeln jeweils ein Profil der Oberfläche des Feinbearbeitungswerkzeugs parallel zur Werkzeugspindel achse erfassen. Indem das so ermittelte Abbild mit dem erwarteten Erscheinungsbild des Oberflächenbereichs verglichen wird, können Schleifscheibenausbrüche leichter erkannt werden. Dieser Vergleich kann automatisch erfolgen, d.h. die Steuereinrichtung kann entsprechende Software aufweisen, die den Vergleich automatisch durchführt.

Um Abstandsmessungen für verschiedene Positionen entlang der Werkzeugspindelachse durchzuführen, können verschiedene Massnahmen vorgesehen sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zu diesem Zweck die Werkzeugspindel und der Abstandssensor entlang der Werkzeugspindelachse relativ zueinander verfahrbar sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Abstandssensor als sogenannter Profilscanner ausgebildet sein, d.h. er kann dazu ausgebildet sein, Abstandsmessungen für eine Vielzahl von Positionen entlang einer vorgegebenen Profilrichtung, insbesondere entlang einer Profilrichtung parallel zur Werkzeugspindelachse, durchzuführen, um so ein Abstandsprofil entlang der Profi lrichtung zu erhalten. Dazu kann der Abstandssensor insbesondere einen Linienlaser umfassen (d.h. einen Laser mit einer Optik, die einen Strahlfächer in einer Strahlebene erzeugt, wobei der Strahlfächer beim Auftreffen auf eine ebene Oberfläche als Linie erscheint). Die Werkzeugspindel und der Abstandssensor sind dann vorzugsweise derart zueinander ausrichtbar, dass die Strahlebene des Linienlasers die Werkzeugspindelachse enthält. In anderen Ausführungsformen kann der Linienlaser derart ausrichtbar sein, dass die Strahlebene, die die Messlinie enthält, in einem beliebigen Winkel zur Werkzeugspindelachse verläuft. Insbesondere ist es auch denkbar, dass die Strahlebene senkrecht zur Werkzeugspindelachse verläuft.

Alternativ kann der Abstandssensor auch als Punktlaser ausgebildet sein. Es ist auch denkbar, zwei oder mehr Abstandssensoren vorzusehen, wobei beispielhaft einer dieser Sensoren ein Punktlaser und der andere Sensor ein Linienlaser sein kann. Abstandssensoren auf der Basis von Punkt- oder Linienlasern sind aus dem Stand der Technik bekannt und kommerziell erhältlich.

In einer Weiterbildung ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, eine Konsistenzprüfung auszufüliren, also die mindestens eine ermittelte Kenngrösse mit einer oder mehreren Vergleichskenngrössen zu vergleichen und Inkonsistenzen zu erkennen. Bei den Vergleichskenngrössen kann es sich insbesondere um Grössen handeln, die zuvor in der Steuereinrichtung abgespeichert worden waren, z.B. Grössen, die manuell in die Maschinensteuerung eingegeben oder auf andere Weise eingelesen worden waren. Dazu kann die Steuereinrichtung wiederum entsprechende Software aufweisen. Insbesondere kann bei der Erkennung von Inkonsistenzen ein entsprechendes Warnsignal an die CNC- Steuerung der Maschine und/oder an den Bediener ausgegeben werden. Auf diese Weise werden möglicherweise schwerwiegende Folgen vermieden, die eintreten können, falls beim Wechsel eines Schleifwerkzeugs versehentlich ein falsches Werkzeug eingesetzt wird oder vom Bediener falsche Kenngrössen eingegeben werden. Dadurch wird die Sicherheit im Betrieb erheblich verbessert.

Um den Abstandssensor für die Messung in eine geeignete Lage relativ zum Feinbearbeitungswerkzeug zu bringen, kann die Maschine einen bewegbaren, insbesondere verschiebbaren oder schwenkbaren Träger aufweisen, der gegenüber dem Maschinenbett in mehrere Stellungen bringbar ist, und der Abstandssensor kann dann auf dem bewegbaren Träger angeordnet sein. Bei dem bewegbaren Träger kann es sich insbesondere um einen Drehteller oder Drehturm handeln.

Vorzugsweise dient der bewegbare Träger nicht nur dazu, den Abstandssensor zum Feinbearbeitungswerkzeug zu bewegen, sondern er erfüllt noch weitere Aufgaben. So können auf dem bewegbaren Träger ausserdem mindestens eine Werkstückspindel zum Aufspannen eines zu bearbeitenden Werkstücks und/oder eine Abrichteinrichtung angeordnet sein. In vorteilhaften Ausgestaltungen sind auf dem bewegbaren Träger mindestens zwei Werkstückspindeln angeordnet, so dass eine der Werkstückspindeln be- und entladen werden kann, während auf der anderen Werkstückspindel ein Werkstück bearbeitet wird. Wenn der bewegbare Träger schwenkbar ist, befindet sich der Abstandssensor dann bezüglich der Umfangsrichtung des schwenkbaren Trägers zwischen den beiden Werkstückspindeln. In alternativen Ausgestaltungen kann der Werkzeugträger bewegbar, insbesondere verschiebbar oder um eine Achse verschwenkbar sein, um die Werkzeugspindel zum Abstandssensor auszurichten. Statt den Abstandssensor zum Feinbearbeitungswerkzeug zu bewegen, wird also sozusagen das Feinbearbeitungs Werkzeug zum Abstandssensor bewegt. Der Abstandssensor kann in einem Gehäuse aufgenommen sein, um den Abstandssensor vor Umwelteinflüssen zu schützen. Das Gehäuse kann eine Fensteröffnung aufweisen, die zum Schutz vor Umwelteinflüssen mit einer Verschliessvorrichtung (z.B. einer Klappe oder einem Schieber) verschliessbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Innere des Gehäuses mit Sperrluft beaufschlagbar sein, d.h. mit Luft unter leichtem Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck. Die Sperrluft verhindert, dass sich Verschmutzungen wie z.B. Öltröpfchen am Abstandssensor niederschlagen. Die vorliegende Erfindung stellt ausserdem Verfahren zur Vermessung eines Feinbearbeitungswerkzeugs mit Hilfe eines Abstandssensors zur Verfügung. Ein entsprechendes Verfahren zur Vermessung eines Feinbearbeitungswerkzeugs, das auf einer Werkzeugspindel einer Feinbearbeitungsmaschine zur Drehung um eine Werkzeugspindelachse aufgespannt ist, weist auf:

Durchführen mindestens einer Abstandsmessung zum Feinbearbeitungswerkzeug mit dem Abstandssensor; und

Ermitteln mindestens einer Kenngrösse des Feinbearbeitungswerkzeugs aus der mindestens einen Abstandsmessung. Wie vorstehend schon näher ausgeführt wurde, kann als Kenngrösse insbesondere ein Mass für den Aussendurchmesser des Feinbearbeitungswerkzeugs ermittelt werden. Wie schon dargelegt, kann es sich beim Abstandssensor insbesondere um einen optisch arbeitenden Abstandssensor handeln. Das Verfahren kann das Ausrichten eines Messlichtstrahls des optischen Abstandssensors auf das Feinbearbeitungswerkzeug umfassen. Dieses Ausrichten kann insbesondere derart erfolgen, dass eine durch den Messlichtstrahl definierte Strahlrichtung die Werkzeugspindelachse schneidet, um so den Aussendurchmesser durch eine einfache Abstandsmessung bestimmen zu können. In Abhängigkeit vom ermittelten Aussendurchmesser kann die Drehzahl der Werkzeugspindelachse verändert werden. Wenn das Feinbearbeitungswerkzeug eine Schleifschnecke ist, kann die Abstandsmessung für eine Vielzahl von Drehwinkeln der Schleifschnecke durchgeführt werden, und aus den Abstandsmessungen können die Gangzahl und Winkellage der Schleifschneckengänge ermittelt werden. Die Abstandsmessung kann für eine Vielzahl von Positionen entlang der Werkzeugspindelachse und für eine Vielzahl von Drehwinkeln des Feinbearbeitungswerkzeugs durchgeführt werden, um ein Abbild mindestens eines Bereichs der Oberfläche des Feinbearbeitungswerkzeugs zu erhalten. Dabei können Abweichungen zwischen dem ermittelten Abbild des Oberflächenbereichs und einem erwarteten Erscheinungsbild des Oberflächenbereichs ermittelt werden. Um Abstandsmessungen für eine Vielzahl von Positionen entlang der Werkzeugspindelachse durchzuführen, können die Werkzeugspindel und der Abstandssensor relativ zueinander entlang der Werkzeugspindelachse verfahren werden. Hierbei können beispielsweise der Anfang und das Ende des Feinbearbeitungswerkzeugs, insbesondere der Schleifschnecke oder der Profilscheibe, sowie ihre Position bzw. Positionen auf der Werkzeugspindelachse festgestellt werden. Die ermittelten Kenngrössen können mit zuvor in der Steuerung abgespeicherten Vergleichskenngrössen verglichen werden, um Inkonsistenzen zu erkennen. Vorteilhafterweise können auch Kenngrössen lernend im Bearbeitungsprozess ermittelt werden, die dann ebenfalls der Steuerung zur Verfügung stehen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Feinbearbeitungsmaschine gemäss

ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine vergrösserte Detailansicht der Maschine der Fig. 1, wobei der

Drehturm gegenüber der Fig. 1 um 90° verschwenkt wurde;

Fig. 3 die Detailansicht der Fig. 2 im Teilschnitt;

Fig. 4 eine schematische Skizze zur Verdeutlichung des Zusammenwirkens von

Abstandssensor und CNC-Steuerung;

Fig. 5 eine schematische Skizze zur Verdeutlichung der Strahlrichtung

Abstandssensors relativ zur Werkstückspindelachse;

Fig. 6 eine schematische Skizze zur Verdeutlichung der Vermessung einer

Schleifschnecke mit einem einzelnen Abstandssensor;

Fig. 7 eine schematische Skizze zur Verdeutlichung der Vermessung einer Schleifschnecke mit zwei im Winkel zueinander angeordneten Abstandssensoren;

Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Feinbearbeitungsmaschine gemäss einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 9 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Fig. 8;

Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Feinbearbeitungsmaschine gemäss einer dritten Ausführungsform

Fig. 1 1 die Feinbearbeitungsmaschine der Fig. 10 in einer Stellung, in der der

Werkzeugträger in eine Messposition geschwenkt wurde.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

In der Fig. 1 ist eine Feinbearbeitungsmaschine zur Hartfeinbearbeitung von Zahnrädern durch Wälzschleifen dargestellt. Die Maschine weist ein Maschinenbett 10 auf, auf dem ein Werkzeugträger 20 entlang einer horizontalen Zustellrichtung X verschiebbar angeordnet ist. Ein Z-Schlitten 21 ist entlang einer vertikalen Richtung Z verschiebbar am Werkzeugträger 20 angeordnet. Auf dem Z-Schlitten 21 ist ein Y-Schlitten 22 angeordnet, der gegenüber dem Z-Schlitten 21 einerseits um eine Schwenkachse A parallel zur X- Achse verschwenkbar und andererseits entlang einer Shiftrichtung Y verschiebbar ist. Der Y-Schlitten 22 trägt eine Werkzeugspindel 30, auf der ein Feinbearbeitungswerkzeug in Form einer Schleifschnecke 31 aufgespannt ist. Die Werkzeugspindel 30 umfasst einen Werkzeugspindelantrieb 32, um die Schleifschnecke 31 zu einer Drehung um eine Werkzeugspindelachse B anzutreiben. Auf dem Maschinenbett 10 ist ein schwenkbarer Träger in Form eines Drehturms 40 angeordnet. Der Drehturm 40 ist um eine vertikale Achse C3 zwischen mehreren Drelistellungen verschwenkbar. Er trägt zwei Werkstückspindeln 50, auf denen jeweils ein Werkstück 51 aufspannbar ist. Jede der Werkstückspindeln 50 ist zu einer Drehung um eine Werkstückspindelachse antreibbar. Die beiden Werkstückspindeln befinden sich auf dem Drehturm in diametral gegenüberliegenden (d.h. bezüglich der Schwenkachse des Drehturms um 180° versetzten) Positionen. Auf diese Weise kann eine der beiden Werkstückspindeln be- und entladen werden, wälirend ein Werkstück auf der anderen Werkstückspindel durch die Schleifschnecke 31 bearbeitet wird. Dadurch werden unerwünschte Nebenzeiten weitgehend vermieden. Ein derartiges Maschinenkonzept ist z.B. aus WO 00/035621 AI bekannt.

Um beispielsweise 90° zu den Werkstückspindeln versetzt ist am Drehturm eine Abrichteinrichtung 80 angeordnet, die sich in der Fig. 1 auf der Rückseite des Drehturms 40 befindet und daher in der Darstellung der Fig. 1 nicht erkennbar ist.

Diametral gegenüberliegend zur Abrichteinrichtung und damit ebenfalls beispielsweise um 90° zu den Werkstückspindeln versetzt ist am Drehturm 40 ein Abstandssensor 60 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um einen optischen Abstandssensor. Dieser ist durch eine Verkleidung 41 vor Verschmutzungen geschützt. Um Messungen mit dem Abstandssensor 60 zu ermöglichen, weist die Verkleidung 41 eine Fensteröffnung 42 auf, die optional durch einen Schieber oder eine Klappe verschliessbar sein kann. Um den Abstandssensor 60 vor Verschmutzungen zu schützen, ist es von Vorteil, wenn das Innere der Verkleidung 41 mit Sperrluft (d.h. mit Luft unter einem gewissen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck) beaufschlagt wird, so dass ein Luftstrom durch die Fensteröffnung 42 hindurch entsteht. Der Luftstrom streicht über den Abstandssensor 60 hinweg und verhindert, dass sich Verschmutzungen wie z. B. Öltröpfchen auf dem Abstandssensor 60 festsetzen.

Die Maschine weist eine CNC-Steuerung 70 auf, welche mehrere Steuerungsmodule 71 sowie eine Bedientafel 72 umfasst. Jedes der Steuerungsmodule 71 steuert eine Maschinenachse an und/oder empfängt Signale von relevanten Sensoren. Im vorliegenden Beispiel ist eines der Steuerungsmodule 71 dazu vorgesehen, mit dem Abstandssensor 60 zusammenzuwirken. Dieses Modul kommuniziert mit der internen Steuerung des Abstandssensors 60 und verarbeitet die Messergebnisse des Abstandssensors 60. Gemeinsam bilden die interne Steuerung des Abstandssensors 60 und das damit zusammen wirkende Steuerungsmodul 71 eine Steuereinrichtung im Sinne dieses Dokuments. In der Fig. 2 ist ein vergrösserter Ausschnitt der Maschine der Fig. 1 dargestellt. Die Fig. 3 zeigt denselben Ausschnitt in einem Teilschnitt, bei dem ein Teil der Verkleidung 41 ausgeschnitten wurde, um den Blick auf den Abstandssensor 60 im Inneren der Verkleidung 41 freizugeben. Der Drehturm ist in dieser Darstellung gegenüber der Orientierung der Fig. 1 beispielsweise um 90° um seine vertikale Schwenkachse C3 verschwenkt, so dass sich der Abstandssensor 60 nun gegenüberliegend von der Schleifschnecke 31 befindet. Der Abstandssensor 60 ist dabei so ausgerichtet, dass die Strahlrichtung des von ihm ausgesandten Messlichtstrahls die Werkzeugspindelachse B senkrecht schneidet.

Die Fig. 4 verdeutlicht nochmals das Zusammenwirken des Abstandssensors 60 mit dem entsprechenden Steuerungsmodul 71. In den Figuren 5 und 6 ist die Anordnung des Abstandssensors 60 relativ zur Schleifschnecke 31 illustriert. Man erkennt, dass der Messlichtstrahl 61 horizontal verläuft und senkrecht zur Drehachse der Schleifschnecke, d.h. zur Werkzeugspindelachse B, ausgerichtet ist. Denkbar sind aber auch folgende Alternativanordnungen des Abstandssensors:

- Der Messlichtstrahl 61 braucht nicht horizontal auf die Achse B ausgerichtet zu sein.

- Der Messlichtstrahl 61 braucht nicht direkt auf die Achse B ausgerichtet zu sein.

- Der Messlichtstrahl 61 braucht nicht senkrecht zur Achse B zu verlaufen.

- Insbesondere kann der Messlichtstrahl 61 nahezu parallel zur B-Achse ausgerichtet sein und somit seitlich auf das Werkzeug treffen; der Durchmesser des Werkzeugs lässt sich dann ermitteln, indem festgestellt wird, bei welcher radialen Position des Abstandssensors sprungartig eine Abstandsänderung gemessen wird.

- Der Messlichtstrahl 61 kann auf einen Reflektor treffen, der hinter dem Werkzeug angeordnet ist.

- Die Messung kann auch mit zwei Sensoren erfolgen, welche als Sender und Empfänger agieren.

Das Messprinzip des optischen Abstandssensors ist wie folgt: Der vom Abstandssensor 60 erzeugte Messlichtstrahl 61 trifft auf die Oberfläche des Messobjekts (hier die Schleifschnecke 31) und wird von dort zurück zum Abstandssensor diffus reflektiert. Der reflektierte Strahl wird vom Abstandssensor 60 erfasst, und aus den Eigenschaften des reflektierten Strahls wird von der internen Steuerung des Abstandssensors 60 der Abstand zwischen dem Abstandssensor 60 und der Oberfläche des Messobjekts berechnet. Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Funktionsweisen für derartige Abstandssensoren bekannt. Gemäss einer ersten bekannten Funktionsweise wird eine Laufzeitmessung vorgenommen. Dazu wird das Anregungslicht des Messlichtstrahls hochfrequent moduliert, und es wird die aus der Laufzeit des Lichts resultierende Phasenverschiebung des mit dem Abstandssensor detektieren reflektierten Lichts gegenüber dem Anregungslicht gemessen. Aus der Phasenverschiebung ergeben sich die Laufzeit und hieraus der Abstand des Abstandssensors vom Messobjekt.

Gemäss einer zweiten bekannten Funktionsweise beruht die Abstandsmessung auf dem Triangulationsverfahren. Bei diesem Verfahren wird der Messlichtstrahl auf das Messobjekt fokussiert, und der entstehende Lichtpunkt wird mit einer im Abstandssensor lateral versetzt zur Lichtquelle angeordneten Kamera (zum Beispiel einer Kamera mit einem Zeilensensor) beobachtet. In Abhängigkeit vom Abstand des Messobjekts verändert sich der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird, und entsprechend ändert sich die Lage des Abbilds des Lichtpunktes auf dem Sensor der Kamera. Mit Hilfe von Winkelfunktionen wird die Entfernung des Messobjekts vom Abstandssensor berechnet.

Dasselbe Messprinzip kann auch eingesetzt werden, um ein Abstandsprofil auf der Oberfläche des Messobjekts entlang einer Achse zu ermitteln. Der Abstandssensor wird dann auch als Profilscanner bezeichnet. Für die Messung wird ein Laserstrahl durch eine spezielle Optik zu einem Fächer aufgeweitet, der auf dem Messobjekt eine leuchtende Linie erzeugt. Das reflektierte Licht dieser Laserlinie wird auf eine Sensormatrix abgebildet. Aus dem entstehenden Abbild auf der Sensormatrix werden für jeden Punkt der Laserlinie einerseits der Abstand und andererseits die Position entlang der Laserlinie berechnet. Auf diese Weise wird ein Abstandsprofil entlang der Laserlinie ermittelt. Alternativ kann das Profil des Werkzeuges auch mit einem Punktlaser und einer relativen Bewegung des Werkzeuges zum Sensor in Achsrichtung ermittelt werden.

Geeignete Abstandssensoren, die nach einem der genannten Prinzipien arbeiten, sind kommerziell erhältlich. Genauere Ausführungen zu den einsetzbaren Abstandssensoren erübrigen sich daher. Es sind Messgenauigkeiten im Bereich von 10 Mikrometern oder besser für die gemessenen Abstände erreichbar. Wenn zusätzlich eine Drehung des Werkzeugs um die Werkzeugspindelachse stattfindet, kann ein Abbild der gesamten Werkzeugoberfläche erhalten werden.

Wenn die Position des Abstandssensors 60 relativ zur Werkzeugspindelachse B bekannt ist und wenn die Schleifschnecke rotiert, lässt sich aus dem gemessenen minimalen Abstand über eine Rotationsperiode hinweg der Aussendurchmesser d der Schleifschnecke 31 bestimmen. Ausserdem lassen sich weitere Kenngrössen wie z.B. die Gangzahl, die Winkellage und die Tiefe der Schleifschneckengänge ermitteln. Diese Winkellage kann dazu herangezogen werden, das Abrichtwerkzeug oder ein Werkstück korrekt in die Schleifschneckengänge einzufädeln.

Für die ermittelten Kenngrössen kann eine Konsistenzprüfung bzw. Koinzidenzprüfung durchgeführt werden. Dazu werden die ermittelten Kenngrössen mit Vergleichskenngrössen verglichen, die zuvor in die CNC-Steuerung der Maschine eingespeichert worden waren. Wenn Abweichungen bestehen, kann der Bediener durch geeignete Signale darauf aufmerksam gemacht werden.

Mit Hilfe des Abstandssensors 60 kann bei Bedarf ein Abbild der gesamten Oberfläche bzw. eines bestimmten Bereichs der Oberfläche der Schleifschnecke 31 erstellt werden. Dazu kann z.B. für eine Vielzahl von Drehwinkeln der Schleif Schnecke 31 um die Werkzeugspindelachse B ein Abstandsprofil parallel zur Werkzeugspindelachse B entlang der Schneckenbreite b erstellt werden. Um ein solches Abstandsprofil zu erstellen, kann der Abstandssensor als Profilscanner ausgebildet sein, wie dies oben erläutert wurde, und/oder die Schleifschnecke 31 kann mit Hilfe des Y-Schlittens entlang der Werkzeugspindelachse B relativ zum Abstandssensor 60 verschoben werden.

Aus einem solchen Abbild eines Oberflächenbereichs lassen sich weitere Kenngrössen bestimmen, z.B. Kenngrössen, die die Flankenform der Schleifschneckengänge beschreiben. Mithilfe eines Abbilds der Oberfläche bzw. eines Oberflächenbereichs der Schleifschnecke kann aber auch insbesondere übeiprüft werden, ob die Schleifschnecke beschädigt ist, zum Beispiel ob sogenannte Schleifschneckenausbrüche vorliegen. Bei einer einwandfreien Schleifschnecke wird erwartet, dass das Abbild des Oberflächenbereichs ganz bestimmte Eigenschaften aufweist. So wird z.B. erwartet, dass sich der Aussendurchmesser der Schleifscheibe entlang jedes Schleifschneckengangs nicht abrupt ändert, sondern eine konstante oder nur langsam veränderliche, stetige Funktion des Drehwinkels darstellt. Bei einem Ausbruch an einem Schneckengang erfolgt dagegen eine abrupte Änderung des Aussendurchmessers. Eine derartige Abweichung des Abbilds des Oberflächenbereichs von einem erwarteten Erscheinungsbild lässt sich ohne weiteres automatisch erkennen; entsprechende Algorithmen zur Mustererkennung sind an sich bekannt. Auf diese Weise können Beschädigungen wie Schleifscheibenausbrüche automatisch erkannt werden. Beim Vorliegen solcher Beschädigungen kann der Bediener entsprechend gewarnt werden, z.B. durch die Ausgabe eines akustischen und/ oder visuellen Warnsignals. Weiterhin kann auch mittels spezieller Software die CNC-Steuerung 70 selbsttätig ein Startsignal für automatisierte Abläufe zur Schadensbegrenzung beim Schleifen und Abrichten generieren. Wenn z.B. nur ein kleiner Schleifscheibenausbruch im Randbereich erkannt wurde, dann kann eventuell durch erneutes automatisches Abrichten die Schleifbearbeitung ohne Qualitätsminderung fortgesetzt werden.

Die Fig. 7 illustriert, dass statt eines einzigen Abstandssensors auch zwei oder mehr Abstandssensoren 60, 60' eingesetzt werden können. Insbesondere können die Messlichtstrahlen dieser Abstandssensoren in einem Winkel zueinander auf das Feinbearbeitungswerkzeug auftreffen, wie dies in der Fig. 7 gezeigt ist. In dieser Figur sind die Messlichtstrahlen 61, 6 der beiden Abstandssensoren 60, 60' auf die Werkzeugspindelachse B ausgerichtet, verlaufen jedoch nicht senkrecht zur Werkzeugspindelachse, sondern in einem Winkel von z.B. ±1-20° zu deren Normalenfläche. Dadurch können insbesondere die Flanken der Schleifschneckengänge präziser vermessen werden, als wenn nur ein einziger Messlichtstrahl eingesetzt wird, welcher senkrecht zur Werkzeugspindelachse auf das Werkzeug auftrifft.

In den Figuren 8 und 9 ist eine zweite Ausführungsform einer Feinbearbeitungsmaschine illustriert. Diese weist einen berührenden Sensor 60 auf. Im vorliegenden Beispiel vermisst der Sensor 60 den Aussendurchmesser einer Schleifschnecke 31. Der Sensor 60 definiert dazu eine breite Auflagefläche, die breiter als der Abstand benachbarter Schleifschneckengänge ist. Dadurch ist sichergestellt, dass der Sensor 60 immer auf dem Aussendurchmesser der Schleifschnecke aufliegt. Der Aufbau entspricht weitgehend dem Aufbau der Maschine der Fig. 1. Im Unterschied zur Maschine der Fig. 1 ragt jedoch der Abstandssensor 60 aus der Fensteröffnung 42 der Verkleidung 41 heraus, um in Kontakt mit der Oberfläche des Feinbearbeitungswerkzeugs gebracht werden zu können. Optional kann der Sensor in dieser Ausführungsvariante automatisiert ein- und ausfahrbar gestaltet sein, so dass er bei Bedarf aus der Fensteröffnung 42 heraus vorgefahren werden kann. Zum Schutz des Abstandssensors kann auch hier ein Verschluss für die Fensteröffnung vorgesehen sein, und/oder es kann vorgesehen sein, das Innere der Verkleidung 41 mit Sperrluft zu beaufschlagen. In den Figuren 10 und 1 1 ist eine dritte Ausführungsform einer Feinbearbeitungsmaschine illustriert. In dieser Ausführungsform ist lediglich eine einzige Werkstückspindel 50 vorhanden, die ortsfest auf dem Maschinenbett 10 angeordnet ist. Der gesamte Werkzeugträger 20 ist um eine vertikale Achse (die sogenannte C 1 -Achse) gegenüber dem Maschinenbett 10 in verschiedene Stellungen verschwenkbar und wie bei der ersten Ausfülirungsform radial zur Werkstückspindel 50 entlang der sogenannten X-Achse verschiebbar. Die Werkzeugspindel 30 ist wie bei der ersten Ausführungsform gegenüber dem Werkzeugträger 20 entlang einer vertikalen Z- Achse und entlang der Werkstückspindelachse in der Y-Richtung verschiebbar sowie um eine horizontale Achse (sogenannte A- Achse) verschwenkbar. In der Bearbeitungsstellung der Fig. 10 kann die Schleifschnecke in Eingriff mit dem Werkstück gebracht werden. Der Werkzeugträger 20 kann gegenüber dieser Bearbeitungsstellung beispielsweise um 180° um die Cl -Achse verschwenkt werden. In dieser (nicht zeichnerisch dargestellten) Abrichtstellung kann die Schleifschnecke durch ein Abrichtgerät 80 abgerichtet werden. Eine Maschine mit einem solchen Maschinenkonzept ist aus der DE 196 25 370 Cl bekannt, und für weitere Details wird auf dieses Dokument verwiesen.

Der Abstandssensor 60 ist in dieser Ausführungsform mit Hilfe eines Halters 62 ortsfest am Maschinenbett 10 angebracht. In der Stellung der Fig. 1 1 wurde der Werkzeugträger 20 so weit verschwenkt, bis der Abstandssensor 60 der Schleifschnecke 31 gegenübersteht. In dieser Stellung kann die Schleifschnecke 31 vom Abstandssensor 60 vermessen werden.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Aus der vorstehenden Beschreibung wird vielmehr deutlich, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann in allen Ausführungsformen statt einer Schleifschnecke auch eine Profilschleifscheibe, eine Kombination aus Schleifschnecke und Profilschleifscheibe oder eine andere Art von Feinbearbeitungswerkzeug zum Einsatz kommen. Der Abstandssensor kann statt an einem schwenkbaren Drehturm, wie das bei der ersten und zweiten Ausführungsform der Fall ist, auch an einem verschiebbaren Schlitten angeordnet sein, wobei dieser Schlitten eine oder zwei Werkstückspindeln tragen kann. Auch ist es denkbar, dass der Werkstückträger nicht zum Abstandssensor hin verschwenkt wird, wie das bei der dritten Ausführungsform der Fall ist, sondern dass der Werkstückträger zum Abstandssensor hin verschoben wird.

BEZUGSZEICHENLISTE

Maschinenbett 62 Sensorhalter

Werkzeugträger 70 CNC-Steuerung

Z-Schlitten 71 Steuerungsmodul

Y-Schlitten 72 Bedientafel

Werkzeugspindel 80 Abrichtgerät

Schleifschnecke X, Y, Z Maschinenachsen

Werkzeugspindelantrieb A Schwenkachse Werkzeug

Drehturm B Werkzeugspindelachse

Verkleidung Cl Schwenkachse

Fensteröffnung Werkzeugträger

Werkstückspindel C3 Schwenkachse Drehturm

Werkstück b Schneckenbreite

Abstandssensor d Aussendurchmesser

Messlichtstrahl