Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich¬ tung zur Erfassung und/oder Kompensation von Füge- und Verschleißfehlern beim Feinbohren von Werkstücken mit¬ tels eines an einer Maschinenspindel einspannbaren, ei¬ ne radial verstellbare Schneidplatte tragenden Verstell¬ werkzeugs.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken in Bearbeitungszen¬ tren werden, begonnen vom Vollbohren bis zum Feinbohren, mehrere Arbeitsgänge nacheinander ausgeführt. Die hier¬ für benötigten Werkzeuge werden überwiegend automatisch gewechselt. Beim Werkzeugwechsel entstehen mehr oder weniger große, statistisch auftretende Fügefehler, die auf verschiedene Ursachen zurückzuführen sind:

- Beim Anschließen des Werkzeugs an die Schnittstelle der Maschinenspindel kann ein Achsversatz und/oder ein Winkelfehler (Verkippen) zwischen der Maschinen¬ achse und Achse des Verstellwerkzeugs auftreten.

- Derartige Achs- bzw. Winkelfehler können sich ebenso an weiteren Trennstellen des Werkzeugs ergeben.

- Verschmutzungen an Schnitt- und Trennstellen stellen eine weitere Fehlerquelle dar.

- Beim Einspannen der Schneidplatten im Plattensitz bzw. der Schneidkörper in ihren Aufnah etaschen kön¬ nen Einspannfehler auftreten.

Hinzu kommen systematische Verschleißfehler, die zu ei¬ ner allmählichen Reduzierung des Bohrdurchmessers füh¬ ren. Vor allem bei weichen Werkstücken kann es zu einer Aufbauschneidenbildung kommen, die auf ein Aufschweißen von Metallpartikeln auf die Schneide beim Bearbeitungs¬ vorgang unter Bildung einer dadurch veränderten Schnei¬ dengeometrie zurückzuführen ist. Hinzu kommen fatale Fehler, wie Schneidenbruch und NichtVorhandensein oder Lösen der Schneidplatten von den Werkzeugteilen, die einen Werkzeugaustausch erforderlich machen.

All diese Fehler führen zu Abweichungen im Bohrungs- durch eεser einerseits und in der Bohrungsqualität an¬ dererseits. Es war bisher nicht ohne weiteres möglich, diese Fehler vor dem eigentlichen Bearbeitungεvorgang zu erkennen. Dies gilt insbesondere für Füge- und Tole¬ ranzfehler, die gewisse Genauigkeitsschranken nicht überschreiten. Diese Fehler waren erst bei Kontrollen der Bohrergebnisse (Post-Prozeß-Kontrollen) beispiels¬ weise mit Hilfe von Meßfühlern zur unmittelbaren Werk¬ stückvermessung erkennbar und führten zu unerwünschtem Ausschuß.

Weiter ist es bei Feinverstellköpfen an sich bekannt (EP-B 0 491 724) , die Werkzeugschneide zur Einstellung

eines vorgegebenen, innerhalb eines Toleranzfeldes lie¬ genden Bohrungsdurchmessers entweder von Hand oder bei¬ spielsweise mittels eines Versteilmotors radial am Werk¬ zeugkopf zu verstellen. Durch die statistisch auftre¬ tenden Fügefehler konnte vor allem in Bearbeitungszen¬ tren die potentielle Genauigkeit der Feinverstellköpfe nicht ausgeschöpft werden.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu¬ grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu ent¬ wickeln, womit beim Feinbohren eine präprozessuale Er¬ kennung und Kompensation von statistischen Fügefehlern und Verschleißfehlern möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den Patentan¬ sprüchen 1 und 13 angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiter¬ bildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran¬ sprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung geht von dem Gedanken aus, daß der Flugkreisdurchmesser einer radial am weitesten außen liegenden Schneidkante der Schneidplatte am ein¬ gespannten Verstellwerkzeug gemessen und für Nachstell¬ zwecke innerhalb des Verstellwerkzeugs ausgewertet wird, bevor eine Feinbohrung oder eine Feinbohrungsserie mit dem Verstellwerkzeug ausgeführt wird. Zur Bestimmung des Flugkreisdurchmessers werden zweckmäßig die Tangen¬ tenpositionen an zwei einander diametral gegenüberlie¬ genden Stellen des Flugkreises der um die Spindelachse

umlaufenden Schneidkante gemessen und in eine Abstands¬ beziehung zueinander oder bezüglich ortsfester Nullagen gesetzt. Die Tangentenpositionen können dabei durch Verschiebewegmessungen an zwei zueinander parallelen, bezüglich der Drehachse der Maschinenspindel einander diametral gegenüberliegenden, unter der Einwirkung der vorbeidrehenden Schneidkante quer zur Drehachse ver¬ schiebbaren Tastflächen gemessen werden, wobei zur Ver¬ meidung einer Beschädigung der Tastfläche das Verstell¬ werkzeug entgegen der Schneidrichtung seiner Schneid¬ platte an der Tastfläche vorbeigedreht werden sollte.

Grundsätzlich ist es auch möglich, die Tangentenposi¬ tionen berührungsfrei, vorzugsweise durch Laserstrahl¬ abtastung der vorbeidrehenden Schneidkante in Tangen¬ tenrichtung zu erfassen.

Die bei der Erfassung des Flugkreisdurchmessers festge¬ stellten Fehler können von Hand oder automatisch da¬ durch kompensiert werden, daß der gemessene Flugkreis¬ durchmesser mit einem an einen vorgegebenen Bohrungs¬ durchmesser angepaßten Sollwert verglichen wird und daß die Schneidplatte am Verstellwerkzeug nach Maßgabe der ermittelten Istwert/Sollwertabweichung radial, vorzugs¬ weise um die halbe Abweichungsstrecke richtungsgerecht verstellt wird. Zur vollautomatischen Kompensation kön¬ nen die gemessenen Tangentenpositionen in einem Rechner durch Istwert/Sollwertvergleich ausgewertet und zur Nachstellung eines die Schneidplatte tragenden Verstell¬ mechanismus vorzugsweise drahtlos, z.B. über eine Infra-

rot-Datenübertragungsstrecke an das Verstellwerkzeug übertragen werden.

Um auch den allmählichen Verschleiß der Schneidplatten erfassen und kompensieren zu können, wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Flugkreis¬ durchmesser im Verlauf einer Bohrungsserie mehrmals nachgemessen und für Nachstell- und/oder Registrierungs¬ zwecke ausgewertet. Damit lassen sich auch statistische Qualitätskontrollen bzw. Verschleißüberwachungen durch¬ führen.

Vor der Durchführung einer ersten Feinbohrung wird zweckmäßig eine Testbohrung in ein Probewerkstück ein¬ gebracht und zur Kalibrierung des Sollwerts für den späteren Istwert/Sollwertvergleich vermessen. Im Ver¬ lauf einer Bohrungsserie, insbesondere vor oder nach einer Nachmessung oder Nachstellung des Flugkreisdurch¬ messers können dazuhin die in die Werkstücke oder in ein Probewerkstück eingebrachten Bohrungen stichproben¬ weise vermessen und zur Nachkalibrierung des Sollwerts ausgewertet werden.

Beim Auftreten fataler Fehler, die beispielsweise an einem Unter- oder Überschreiten eines vorgegebenen Toleranzbereichs (Eingriffsgrenzen) im gemessenen Flug¬ kreisdurchmesser erkannt werden können, kann der Bear¬ beitungsvorgang unter Abgabe einer Fehlermeldung ge¬ sperrt werden.

Bei einer bevorzugten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist im Einsatzbereich des Verstellwerkzeugs eine Meßanordnung gestellfest ange¬ ordnet, mit der der Flugkreisdurchmesser einer radial außen liegenden Schneidkante der Schneidplatte des an der Maschinenspindel eingespannten und um deren Achse rotierenden Verstellwerkzeugε bestimmbar ist. Die Me߬ anordnung weist dabei zweckmäßig zwei im Abstand von¬ einander angeordnete Sensoren oder Meßtaster zur Erfas¬ sung der gestellbezogenen Positionen zweier einander diametral gegenüberliegender, zueinander paralleler Tangenten an den Flugkreis der um die Spindelachse um¬ laufenden äußeren Schneidplattenkante auf. Hierzu sind zweckmäßig zwei an ihren Tastflächen einander zugewand¬ te und zueinander planparallele Tastköpfe vorgesehen, die in je einer gestellfesten Schubführung nach entge¬ gengesetzten Seiten entgegen der Kraft einer Rückstell¬ feder begrenzt verschiebbar und mit einem den Verschie¬ beweg erfassenden Wegmeßsystem verbunden sind, wobei zwischen den Tastköpfen ein Freiraum zur Aufnahme des die Schneidplatte tragenden Teils des an der Maschinen¬ spindel eingespannten Verstellwerkzeugs mit parallel zu den Testflächen ausgerichteter Spindelachse angeordnet ist. Der Freiraum ist dabei so zu bemessen, daß der Ab¬ stand zwischen den Tastflächen kleiner als der Flug¬ kreisdurchmesser, aber größer als der Durchmesser eines die Schneidplatte tragenden Schaftes ist. Um eine Be¬ schädigung der Tastköpfe zu vermeiden, ist das in den Freiraum eingreifende Verstellwerkzeug in einer der Schneidrichtung entgegengesetzten Richtung um die Spin-

delachse drehbar.

Die Wegmeßsysteme enthalten zweckmäßig einen indukti¬ ven, kapazititven oder optischen Meßgeber und vorzugs¬ weise einen Analog/Digitalwandler für den Anschluß an eine I/O-Karte eines Rechners. Zur vollautomatischen Kompensation von Füge- und Verschleißfehlern wird zweck¬ mäßig ein Verstellwerkzeug verwendet, das besipielsweise einen motorisch antreibbaren, vorzugsweise drahtlos mit dem Rechner kommunizierenden Verstellmechanismus für die Schneidplatte aufweist. Das Verstellwerkzeug kann beispielsweise als Feinverstell-Bohrkopf oder als Plan¬ drehkopf ausgebildet sein.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbei¬ spiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Schema einer Vorrichtung zur Messung und automatischen Kompensation von Füge- und Verschleißfehlern in einem zum Feinbohren bestimmten Feinverstellkopf.

Die Zeichnung zeigt einen Ausschnitt aus einem Bearbei¬ tungszentrum 10 mit einer innerhalb des Bearbeitungs¬ zentrums 10 heb- und senkbaren sowie verschiebbaren, um die Spindelachse 12 drehbaren Maschinenspindel 14, an deren Werkzeugaufnahme 16 Maschinenwerkzeuge 18 mittels eines bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Steilkegel 20 umfassenden Spannmechanismus einspannbar sind. Das Bearbeitungswerkzeug 18 ist ein Feinverstell- Bohrkopf, der einen motorisch in Richtung des Doppel-

pfeils 22 verschiebbaren Schieber 24 mit einer Werk¬ zeugaufnahme 26 für eine mit einer Schneidplatte 28 bestückte Bohrstange 30 aufweist. Beim Anschluß des Bohrkopfs 18 in der Steilkegelaufnahme 16 der Maschi¬ nenspindel 14 und beim Anschluß der Bohrstange 30 in der Aufnahme 26 des Verstellkopfs 18 kann es zu Füge¬ fehlern kommen, die sich in einer Lageveränderung der Schneidplatte 28 gegenüber der Spindelachse 12 und da¬ mit in einer Veränderung des damit erzeugten Bohrungs¬ durchmessers auswirken kann. Auch der allmähliche Ver¬ schleiß der Schneidplatte 28 kann zu Fehlern im Boh¬ rungsdurchmesser führen. Des weiteren können fatale Fehler durch Bruch oder Lösen der Schneidplatte 28 auf¬ treten.

Um Fehler dieser Art erfassen und gegebenenfalls mit dem ohnehin vorhandenen Verstellmechanismus 24 kompen¬ sieren zu können, ist im Einsatzbereich des an der Spin¬ del 14 eingespannten Werkzeugs 18 eine Meßvorrichtung 32 angeordnet, die einen gestellfesten Halter 34 und zwei an den U-Schenkeln des Halters 34 in Richtung der Pfeile 35 in gestellfesten Schubführungen 36 entgegen der Kraft einer nicht dargestellten Feder begrenzt ver¬ schiebbare Meßtaster 38 aufweist. Die Taster 38 sind an ihren einander zugewandten Tastflächen 40 parallel zu¬ einander ausgerichtet und begrenzen dort einen Freiraum 42, in den das Verstellwerkzeug 18 mit seiner Bohrstan¬ ge 30 und der Schneidplatte 28 von oben her eintauchbar ist. Der Freiraum 42 ist in der innersten Endstellung der Taster 38 so bemessen, daß der Abstand zwischen den

Tastflächen 40 größer als der Durchmesser der Bohrstan¬ ge 28, aber kleiner als der Flugkreisdurchmesser der äußersten Schneidkante 44 der Schneidplatte 38 bei um die Spindelachse 12 in Richtung des Pfeils 46 drehendem Werkzeug ist. In jeder Schubführung 36 befindet sich ein nicht dargestelltes, vorzugsweise induktives Weg¬ meßsystem, mit welchem die Verschiebelage des Tasters 38 gemessen und in Form elektrischer Positionssignale an den Ausgängen 48 abgegriffen werden kann. Die Taster 38 werden beim Drehen des Werkzeugs 18 entgegen der Schneidrichtung der Schneide 28 durch die Außenkante 44 der vorbeidrehenden Schneidplatte in Richtung der Pfei¬ le 35 entgegen der Kraft der Rückstellfeder nach außen verschoben und anschließend durch die Rückstellfeder wieder nach innen mitgenommen. Auf diese Weise erhält man in der maximalen Verschiebeposition der Taster 38 die Positionen zweier einander diametral gegenüberlie¬ gender Tangenten an den Flugkreis der äußersten Schneid¬ plattenkante 44, woraus sich durch Differenzbildung ein Maß für den Flugkreisdurchmesser ergibt. Mit einer ent¬ sprechend intelligenten Sensorelektronik können die Positionsmaße der Taster 38 bereits so weit ausgewertet werden, daß an den Ausgängen 48 nur die Maximalpositio- nen der Taster 38 in digitaler Form ausgegeben werden.

Die Ausgänge 48 der Taster 38 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel über eine I/O-Karte 50 an einen Rechner 52 gelegt, in welchem die Positionsdaten über ein geeignetes Programm in Steuerdaten für den Ver¬ schiebemechanismus 24 des Verstellkopfs 18 umgesetzt

werden. Für die Datenübertragung vom Rechner 52 zum Verstellkopf 18 sind ein rechnerseitiger Senderempfän¬ ger 54 und ein verstellkopfseitiger Senderempfänger 56 vorgesehen, die über eine Infrarot-Datenübertragungs¬ strecke 58 kommunizieren. Die über die Infrarotstrecke 58 übertragenen Signale werden zur Fernbedienung des Verstellmechanismus 24 eingesetzt. Der Verstellmecha¬ nismus 24 enthält seinerseits ein internes Wegmeßsytem, dessen Meßdaten über die Infrarotstrecke 58 zur direk¬ ten Wegmessung und Regelung der Verschiebebewegung des Verstellmechanismus 24 zum Rechner zurückübertragen werden.

Grundsätzlich ist es bei einem Verstellmechanismus ohne internes Wegmeßsystem möglich, die Verschiebe- bzw. Nachstellbewegung dadurch zu regeln, daß während des Nachstellvorgangs die momentanen Istwerte der Verschie¬ belage mittels der Meßvorrichtung 32 sequentiell erfaßt werden und der Verstellmechanismus zur Korrektur der jeweiligen Ist/Sollwertdifferenz betätigt wird.

Mit der beschriebenen Anordnung ist es möglich, die beim Einspannen des Meßkopfs 18 und der Bohrstange 30 auftretenden Fügefehler sowie die Verschleißfehler der Schneidplatte 28, mit der Meßvorrichtung 32 zu erfassen und über den Verstellmechanismus 24 zu kompensieren.

Um eine Verschmutzung und dadurch bedingte Meßfehler zu vermeiden, wird die innerhalb des Bearbeitungszentrums befindlichen Meßvorrichtung 32 zweckmäßig in einem

durch einen abnehmbaren Deckel oder durch eine Bürsten¬ abdeckung verschließbaren Gehäuse angeordnet.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin¬ dung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich¬ tung zur Erfassung und/oder Kompensation statistischer Füge- und Verschleißfehler beim Feinbohren von Werk¬ stücken mittels eines an einer Maschinenspindel 14 ein¬ spannbaren, eine radial verstellbare Schneidplatte 28 tragenden Verstellwerkzeugs 18. Die Erfindung sieht vor, daß vor dem Einbringen einer Bohrung oder einer Bohrungsserie der Flugkreisdurchmesser einer radial außen liegenden Schneidkante 44 der Schneidplatte 28 am eingespannten Verstellwerkzeug bei drehender Maschinen¬ spindel 14 gemessen und für Nachstellzwecke innerhalb des Verstellwerkzeugs 18 ausgewertet wird.