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Dokumentenidentifikation DE10054509C2 18.06.2003
Titel Verfahren zum Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer Bohrung und Vorrichtung hierzu
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Goch, Gerd, 28209 Bremen, DE;
Lehmann, Peter, 28205 Bremen, DE;
Patzelt, Stefan, 26131 Oldenburg, DE
Vertreter Schulz, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 28870 Ottersberg
DE-Anmeldedatum 03.11.2000
DE-Aktenzeichen 10054509
Offenlegungstag 29.05.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.06.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.06.2003
IPC-Hauptklasse B24B 49/04
IPC-Nebenklasse B24B 49/10   

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück eingebrachten, insbesondere kleinen Bohrung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Bei der Feinbearbeitung von großen Bohrungen durch Schleifen oder Honen verwendet man zum Messen des erzielten Innendurchmessers oder der lichten Weite der Bohrung Meßabtaster oder Kalibrierdorne. Dies läßt aber nur eine sehr eingeschränkte Meßgenauigkeit zu und hat den wesentlichen Nachteil, daß der Bearbeitungsvorgang zwecks Messen des momentan erreichten Bohrungsdurchmessers unterbrochen werden muß.

Bei einem bekannten Verfahren zum berührungslosen Messen der Wanddicke eines hohlzylindrischen Werkstückes bei der Innenrundfeinbearbeitung der inneren Zylinderwand (Tönshoff, H. K.: Process Control in Internal Grinding, In: CIRP Annals. 1980, Vol. 29/1, Seite 207-211) wird ein Ultraschallimpulssender und ein Ultraschallimpuls-Empfänger mittels eines Flüssigkeitskopfs an die Außenfläche des hohlzylindrischen Werkstücks angekoppelt, dessen Innenfläche mit einem Schleifwerkzeug abgetragen wird. Die Impulslaufzeit eines vom Sender ausgesandten Schallimpulses, der an der Innenwandfläche des Werkstücks reflektiert und vom Empfänger empfangen wird, wird gemessen und daraus unter Berücksichtigung der bekannten Schallaufzeit in dem Werkstoff des Werkstücks die Wanddicke des hohlzylindrischen Werkstücks bestimmt.

Eine bekannte Vorrichtung zur berührungslosen Messung des Abtrags auf einer Werkstückoberfläche (JP 10-260015 A, abstract, In: Patent Abstracts of Japan) hat ein optisches Meßsystem und ein optisches Überwachungsglied, wobei das in dem Werkstückhalter angeordnete optische Überwachungsglied zusammen mit dem Werkstück abgeschliffen wird. Das optische Element wird mit einem Laserlichtstrahl beleuchtet, und der an einer ersten Oberfläche des optischen Elements und an der der Bearbeitung unterliegenden zweiten Oberfläche des optischen Elements reflektierte Lichtstrahl, wird in zwei Lichtstrahlen zerlegt, von denen einer Interferenzlicht auf einem Interferenzlichtgenerator erzeugt, der daraus den Betrag des Abtrags am optischen Element ermittelt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren hat demgegenüber den Vorteil, daß während des Bearbeitungsprozesses der Materialabtrag an der Bohrungswand ständig gemessen wird und bei Erreichen des gewünschten Maßes der Bearbeitungsprozeß sofort gestoppt werden kann. Dadurch wird die Fertigungszeit extrem reduziert, und die Fertigungskosten sinken. Das interferometrische Messen des Abtragsmaßes läßt eine hohe Meßauflösung zu, so daß Bohrungstoleranzen von kleiner als 0,5 µm erzielbar sind.

In alternativen Ausführungsformen der Erfindung wird dabei der Meßstrahl des Interferometers direkt auf die zu bearbeitende Bohrungswand oder auf die Innenwand eines zum Werkstück koaxialen Referenzrings, der drehfest mit dem Werkstück verbunden ist, gerichtet und dort reflektiert. Letzteres erfordert durch die Notwendigkeit der Anbringung des Referenzrings mit exaktem Rundlauf an jedem Werkstück zwar einen vergrößerten Rüstaufwand, doch wird dadurch der negative Einfluß des beim Bearbeitungsprozeß zwingend erforderlichen Kühlschmierstoffes an der Bohrungswand auf das Meßergebnis eliminiert. Auch läßt sich der Referenzring mit extrem geringer Rauheit der reflektierenden Innenfläche ausführen, so daß ein nur wenig verrauschtes Meßsignal erzielt wird.

Durch die in den weiteren Ansprüchen 2-8 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Meßverfahrens möglich.

Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens ist in Anspruch 9 angegeben. Durch die in den Ansprüchen 10-15 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Vorrichtung möglich.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 und 2 jeweils einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur Innenrundfeinbearbeitung einer Bohrung in einem darin eingespannten Werkstück in Verbindung mit einer Meßvorrichtung zur Messung des beim Bearbeitungsprozeß erreichten Materialabtrags gemäß zweier Ausführungsbeispiele,

Fig. 3 einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur Innenrundfeinbearbeitung einer Bohrung in einem Werkstück mit einer Meßvorrichtung zur Messung des Abtrags während des Bearbeitungsprozesses gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4A ein Diagramm der Längenänderung des radialen Meßstrahlabschnitts in Abhängigkeit von der Winkelposition des Bearbeitungswerkzeugs,

Fig. 4B und 4C jeweils einen Ausschnitt des normierten Intensitätssignals des Interferometers als Funktion der Winkelposition des Bearbeitungswerkzeugs in zwei verschiedenen Winkelpositionsbereichen,

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Steuer- und Auswerteeinheit in der Meßvorrichtung in Fig. 1-3 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Steuer- und Auswerteeiheit in der Meßvorrichtung in Fig. 1-3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück 10 eingebrachten kleinen Bohrung 11 wird das Werkstück 10 in einen Werkstückhalter 12 eingespannt, der mit einer bestimmten Drehzahl, z. B. 1500 U/min, in Richtung Pfeil 13 in Fig. 1 rotiert. Ein Bearbeitungswerkzeug 14 ist mit seinem Werkzeugschaft 15 in einer zugleich einen Werkzeughalter bildenden Spindel 16 festgespannt, die sich gemäß Pfeil 13' in Fig. 1 in Gegenrichtung zu dem Werkstückhalter 12 mit einer sehr hohen Drehzahl, z. B. 90000 U/min, dreht. An seinem in die Bohrung 11 des Werkstücks 10 eintauchenden vorderen Ende trägt das Bearbeitungswerkzeug 14 ein an seinem Umfang angeordnetes Arbeitsmittel 17. Die Rotationsachsen von Werkstück 10 und Bearbeitungswerkzeug 14 verlaufen parallel zueinander, und da das Werkzeug 14 einem radialen Vorschub in Richtung Pfeil 48 in Fig. 1 ausgesetzt ist, setzt das Arbeitsmittel 17 zur Erzeugung eines Abtrags mit einer Anpreßkraft an der Bohrungswand 111 der Bohrung 11 an. Weist - wie im vorliegenden Fall - die Bohrung 11 eine gegenüber der axialen Länge des Arbeitsmittels 17 größere Bohrungstiefe auf, so führt das Bearbeitungswerkzeug 14 zusätzlich eine axiale Pendelbewegung oder Kurzhuboszillation aus, damit die Bohrung 11 gleichmäßig über die gesamte Bohrungstiefe bearbeitet wird. Die Kurzhuboszillation der Spindel 16 bzw. des Bearbeitungswerkzeugs 14 ist in Fig. 1 durch den Doppelpfeil 49 angedeutet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Innenrundfeinbearbeitung durch Schleifen ausgeführt, so daß das Arbeitsmittel 17 am Ende des Werkzeugschaftes 15 von einem Schleifbelag gebildet ist, der während des Schleifprozesses einer Abnutzung unterliegt. Die Innenrundfeinbearbeitung kann aber auch z. B. durch Honen erfolgen. Während der Innenrundfeinbearbeitung wird über einem im Werkzeugschaft 15 zentrisch verlaufenden Kühlschmierstoffkanal 18 Kühlschmierstoff in die Bohrung 11 eingebracht und gelangt dort an deren Bohrungswand 111.

Da bei der Innenrundfeinbearbeitung der Bohrung 11 sehr hohe Anforderungen an den zu fertigenden Innendurchmesser gestellt werden, dessen Toleranzen kleiner 0,5 µm liegen müssen, wird während des Bearbeitungsprozesses, im vorliegenden Fall während des Schleifprozesses, fortlaufend der Abstand zwischen einem am Werkzeug 14 festgelegten, mit diesem synchron umlaufenden Punkt 19 einerseits und der Bohrungswand 111 andererseits interferometrisch gemessen und aus der Abstandsänderung ein Maß für den Materialabtrag in der Bohrung 11 ermittelt. Zu diesem Zweck ist ein Laser- Interferometer 20 vorgesehen, das einen Meßstrahl 21 mit einem innerhalb der Bohrung 11 zwischen dem Punkt 19 am Werkzeug 14 und der Bohrungswand 111 verlaufenden, synchron mit dem Werkzeug 14 umlaufenden Meßstrahlabschnitt 211 (in Fig. 1 punktiert dargestellt) erzeugt. Der Meßstrahl 21 selbst verläuft dabei innerhalb des Werkzeugschaftes 15 und tritt am Punkt 19 an einer arbeitsmittelfreien Stelle des Werkzeugschaftes 15 radial aus.

Wie in Fig. 1 schematisch angedeutet ist, weist das in bekannter Weise den Meßstrahl 21 und einen Referenzstrahl 22 erzeugende Laser-Interferometer 20 zwei Single-Mode-Fasern 23, 24 auf, in denen jeweils der Meßstrahl 21 bzw. der Referenzstrahl 22 geführt ist. An dem einen Ende der einen Faser 23 ist eine Laserlicht emittierende Laserdiode 25 und am anderen Ende dieser Faser 23 eine Linse 26 mit nachfolgendem Spiegelprisma 27 angekoppelt. Der von der Laserdiode 25 erzeugte Meßstrahl 21 wird im Spiegelprisma 27 umgelenkt und tritt im Punkt 19 des Werkzeugschaftes 15 radial, den Meßstrahlabschnitt 211 bildend, aus dem Werkzeugschaft 15 aus. An dem einen Ende der zweiten Faser 24 ist eine Fotodiode 28 als Empfängerdiode angekoppelt, während das andere Ende der zweiten Faser 24 mit einer ebenen Spiegelfläche 29 abgeschlossen ist. Die beiden Single-Mode- Fasern 23, 24 sind durch einen Schmelzkoppler 30 so miteinander verbunden, daß der von der Laserdiode 25 erzeugte Laserstrahl in den in der einen Faser 23 verlaufenden Meßstrahl 21 und in den in der anderen Faser 24 verlaufenden Referenzstrahl 22 aufgeteilt wird, wie dies in Fig. 1 illustriert ist. Der Schmelzkoppler 30, dessen Funktion der eines teildurchlässigen Prismas entspricht, bewirkt, daß der an der Bohrungswand 111 reflektierte Meßstrahl 21, der am Punkt 19 wieder in die Single-Mode-Faser 23 eintritt, zu der Fotodiode 28 gelangt und dort mit dem an der Spiegelfläche 29 reflektierten und über den Schmelzkoppler 30 ebenfalls der Fotodiode 28 zugeführten Referenzstrahl 22 interferiert. Durch die Interferenz der beiden Laserstrahlen empfängt die Fotodiode 28 je nach Phasendifferenz von Meß- und Referenzstrahl 21, 22 viel oder wenig Licht. Bei einer Abstandsänderung zwischen dem Punkt 19 am Werkzeugschaft 15 und der Bohrungswand 111, also bei einer Änderung der Länge des Meßstrahlabschnitts 211, ändert sich die Lichtintensität am Ort der Fotodiode 28 periodisch. Die Periodendauer hängt von der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts und der Geschwindigkeit der Längenänderung des Meßstrahlabschnitts 211 ab. Wegen der begrenzten Kohärenzlänge des Laserlichts sind die Single-Mode-Fasern 23, 24 so ausgeführt, daß der Meßstrahl 21 und der Referenzstrahl 22 etwa die gleiche Weglänge zwischen der Laserdiode 25 und der Fotodiode 28 zurücklegen.

Das von der Fotodiode 28 erzeugte Intensitätssignal wird in einer Steuer- und Auswerteeinheit 31 signaltechnisch verarbeitet und daraus fortlaufend der mit dem Bearbeitungswerkzeug 14 an der Bohrungswand 111 erzielte Abtrag an Material ermittelt. Ein hierzu verwendetes Signalverarbeitungsverfahren sieht vor, in dem von der Fotodiode 28 ausgegeben, ggf. verstärkten Intensitätssignal pro Zeitintervall die Anzahl der Maxima oder Nulldurchgänge oder der Über- und/oder Unterschreitungen einer vorgegeben Schwelle zu bestimmen. Das Zeitintervall entspricht dabei einer vollen Umdrehung des Werkzeugs 14 oder einem Vielfachen einer Werkzeugumdrehung. Aus der Zunahme der Anzahl der gezählten Maxima, Nulldurchgänge oder Schwellendurchgänge wird eine dem Abtrag proportionale Größe ermittelt und ausgegeben.

Fig. 4A zeigt ein Diagramm der Änderung Δd des Abstandes des Punktes 19 des radialen Austritts des Meßstrahls 21 aus dem Werkzeugschaft 15 von der Bohrungswand 111, also der Längenänderung des Meßstrahlabschnitts 211, als Funktion der Drehwinkelposition φ des Werkzeugs 14. Diese Funktion wird beschrieben durch die Gleichung





wobei d = d2 - d1, d2 der Innendurchmesser der Bohrung 11 und d1 der Außendurchmesser des Arbeitsmittels 17 bzw. des Schleifbelags ist. Das normierte Intensitätssignal I(φ) entspricht der Funktion





bei der eine Periode durchlaufen wird, wenn sich Δd um λ/2 ändert, wobei λ die Lichtwellenlänge ist. Da die Abstandsänderung Δd bei konstanter Drehzahl des Werkzeugs 14 nichtlinear ist, ergibt sich ein frequenzmoduliertes Ausgangssignal I(φ). Das normierte Intensitätssignal I(φ) ist in Fig. 4B und 4C in Abhängigkeit von der Drehwinkelposition des Werkzeugs 14 für zwei verschiedene Positionsbereiche dargestellt, wobei der jeweilige Winkelpositionsbereich in Fig. 4A mit B und C gekennzeichnet ist. Wie bereits erwähnt, werden in diesem Intensitätssignal die Anzahl der Nullstellen oder Maxima pro Zeitintervall gezählt. Vorteilhaft kann aber auch das Intensitätssignal über eine Schwelle geführt werden, die beispielsweise bei dem normierten Intensitätssignal gemäß Fig. 4 bei 0,5 liegt, und die Schwellendurchgänge, d. h. die Zahl der Über- und Unterschreitungen der Schwelle, pro Zeitintervall gezählt werden. Das Zeitintervall entspricht einer Umdrehung des Werkzeugs 14 oder einem Vielfachen davon. Solange der Innendurchmesser der Bohrung 11 und der Außendurchmesser des Arbeitsmittels 17 bzw. des Schleifmittelbelags unverändert sind, bleibt die erfaßte Zahl der Nullstellen, Maxima oder Schwellendurchgänge pro Zeitintervall konstant. Wird durch den Bearbeitungsprozeß an der Bohrungswand 111 Material abgetragen, so nimmt die Anzahl der pro Zeitintervall gezählten Nullstellen, Maxima oder Schwellendurchgänge zu, wobei die Zunahme ein direktes Maß für den Materialabtrag an der Bohrungswand 111 ist.

Zur Auswertung des von der Fotodiode 28 gelieferten Intensitätssignals I(φ) weist die in Fig. 5 im Blockschaltbild dargestellte Steuer- und Auswerteeinheit 31 einen Impulsgeber 32, der je nach Konzeption im Intensitätssignal der Fotodiode 28 Nullstellen, Maxima oder Schwellendurchgänge durch eine vorgegebene Schwelle detektiert und jeweils einen Impuls ausgibt, einen die Impulse zählenden Zähler 33, der von einer Triggereinheit 34 zurückgesetzt wird, und einen Steuerrechner 35 auf, der einerseits die Triggereinheit 34 mit der Drehwinkelstellung j des Werkzeugs 14 synchronisiert und andererseits aus den Zählerständen des Zählers 33 das Maß für den Abtrag an der Bohrung 11 errechnet. Die Triggereinheit 34 wird dabei so gesteuert, daß sie bei jeder Umdrehung des Werkzeugs 14 oder einem Vielfachen davon einen Rücksetzimpuls an den Zähler 33 gibt, der daraufhin auf Zählstand "Null" gesetzt wird. Gleichzeitig übernimmt der Steuerrechner 35 den vor dem Zurücksetzen aufsummierten Zählerstand. Aus den sich ändernden Zählerständen errechnet der Steuerrechner 35 das Abtragsmaß, das direkt proportional der Zunahme der Zählerstände ist, und gibt dieses an eine Anzeigeeinheit 36. Letztere kann zusätzlich so konzipiert sein, daß sie einen den Bearbeitungsprozeß abbrechenden Stoppimpuls ausgibt, sobald ein voreingestelltes Maß des Abtrags erreicht ist. Die Stoppfunktion kann auch im Steuerrechner 35 realisiert werden.

Wenn sich das Arbeitsmittel 17, im vorliegenden Beispiel der Schleifbelag, während des Bearbeitungsprozesses abnutzt, so ist das wie vorstehend beschrieben ermittelte Abtragsmaß insofern fehlerbehaftet als auch die Abnutzung des Arbeitsmittels 17 zu einer Änderung des Zählerstands pro Zeitintervall führt und damit das ermittelte Abtragsmaß nur ein "scheinbares" ist, das gleichzeitig die Abnutzung des Arbeitsmittels 17 miterfaßt. Um daraus das "wahre" Abtragsmaß zu erhalten, muß das "scheinbare" Abtragsmaß um das Maß der Abnutzung des Arbeitsmittels 17 reduziert werden. Das Maß der Abnutzung des Arbeitsmittels 17 kann auf verschiedene Weise bestimmt werden.

Bei einem alternativen Meßverfahren, zu dem die Steuer- und Auswerteeinheit 31' der Meßvorrichtung in Fig. 6 im Blockschaltbild dargestellt ist, wird während des Bearbeitungsprozesses fortlaufend die Abnutzung des Arbeitsmittels 17 gemessen und entsprechend das "scheinbare" Arbeitsmaß korrigiert, so daß direkt das tatsächliche oder "richtige" Abtragsmaß erhalten wird.

Bei diesem Verfahren wird das vom Laser-Interferometer 20 ausgegebene Intensitätssignal I(φ) pro Umdrehung des Werkzeugs 14 zweimal mit Drehwinkelversatz abgetastet, wobei der Drehwinkelversatz so gewählt ist, daß der vom austretenden Meßstrahl 21 zur Bohrungswand 111 zurückzulegende Weg, also die Länge des Meßstrahlabschnitts 211, d. h. der Abstand des Punktes 19 des Meßstrahlaustritts am Werkzeugschaft 15 von der Bohrungswand 111, zu den beiden Abtastzeitpunkten signifikant unterschiedlich ist. Aus der Änderung der Intensität oder der daraus resultierenden relativen Phasenlage der Abtastwerte für den kurzen Weg oder den kurzen Meßstrahlabschnitt 211 wird ein Maß für die Abnutzung des Arbeitsmittels 17 und aus der Änderung der Intensität oder der daraus resultierenden Phasenlage der Abtastwerte für den Längeren Weg oder den längeren Meßstrahlabschnitt 211 wird das scheinbare Abtragsmaß ermittelt. Dieses scheinbare Abtragsmaß wird um das Maß der Abnutzung des Arbeitsmittels 17 reduziert und so das richtige Maß des Abtrags in der Bohrung 11 bestimmt. Die Abtastzeitpunkte werden dabei vorzugsweise so gelegt, daß der kurze Meßstrahlabschnitt minimal und der lange Meßstrahlabschnitt maximal ist, also der Punkt 19 des Meßstrahlaustritts aus dem Werkzeugschaft 15 einmal seinen kleinsten Abstand und einmal seinen größten Abstand von der Bohrungswand 111 aufweist, bzw. der austretende Meßstrahl 21 den längsten und einmal den kürzesten Weg zur Bohrungswand 111 zurücklegt.

Die hierzu verwendete Steuer- und Auswerteeinheit 31', die in Fig. 6 im Blockschaltbild dargestellt ist, weist eine Abtasteinheit 37 auf, die von einer Triggereinheit 38 gesteuert wird und mit jedem Triggerimpuls einen Abtastwert des Intensitätssignals I(φ) der Fotodiode 28 ausgibt. Zur Steuer- und Auswerteeinheit 31' gehört noch ein Steuerrechner 39, der einerseits die Triggereinheit 38 mit der Drehwinkelstellung des Werkzeugs 14 so synchronisiert, daß die Triggereinheit 38 pro Werkzeugumdrehung zwei Triggerimpulse im zeitlichen Abstand an die Abtasteinheit 37 legt, und zwar vorzugsweise dann, wenn der Punkt 19 des Meßstrahlaustritts den kleinsten und den größten Abstand von der Bohrungswand 111 aufweist. Aus den dem Steuerrechner 39 zugeführten Abtastwerten ermittelt letzterer die Phasenlage der Abtastwerte für den kürzeren und die Phasenlage der Abtastwerte für den größeren Abstand. Aus der Änderung der Phasenlage der Abtastwerte für den größeren Abstand bestimmt der Steuerrechner 39 das scheinbare Abtragsmaß an der Bohrungswand 111 der Bohrung 11 und aus der Änderung der Phasenlage der Abtastwerte für den kleineren Abstand das Maß der Abnutzung des Arbeitsmittels 17. Beide Maße werden einer Subtrahierstufe 40 zugeführt, die von dem scheinbaren Abtragsmaß das Maß der Abnutzung subtrahiert und das Subtraktionsergebnis "richtiges Abtragsmaß" an eine Anzeigeeinheit 41 weiterleitet. Die Anzeigeeinheit 41 kann in gleicher Weise ausgebildet werden wie die zu Fig. 5 beschriebene Anzeigeeinheit 36. Anstelle der Phasenlage können auch die Intensitäten der zwei Gruppen von Abtastwerten ausgewertet werden.

In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 ist neben dem Laser-Interferometer 20 auch die Steuer- und Auswerteeinheit 31 in der Spindel 16 der Bearbeitungsvorrichtung integriert, während in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die Steuer- und Auswerteeinheit 31 räumlich feststehend angeordnet ist. Von dem Laser-Interferometer 20 ist die Fotodiode 28 ebenfalls räumlich feststehend außerhalb der Spindel 16 untergebracht und mit der Steuer- und Auswerteeinheit 31 nach wie vor elektrisch verbunden. Anstelle der Steuer- und Auswerteeinheit 31 gemäß Fig. 5 kann auch die Steuer- und Auswerteeinheit 31' gemäß Fig. 6 eingesetzt werden. Der den reflektierten Meßstrahl 21 und den reflektierten Referenzstrahl 22 führende Abschnitt der Single-Mode-Faser 24 verläuft endseitig in der Spindel- bzw. Werkzeugachse und mündet mit seinem Stirnende 241 in der Stirnfläche 161 der Spindel 16. Das Faserende der Faser 24 ist an die Fotodiode 28 optisch angekoppelt, was entweder dadurch erfolgt, daß die Fotodiode 28 mit der Spindel- bzw. Werkzeugachse fluchtend angeordnet ist, oder das Ende einer zur Fotodiode 28 führenden Lichtleitfaser 47 dem Stirnende 241 der Faser 24 mit Spaltabstand zur rotierenden Spindel 16 fluchtend gegenüberliegt. Da in diesem Fall der Kühlschmierstoff nicht mehr axial durch die Spindel 16 hindurchgeführt werden kann, wird im Bereich der Spindel 16 der Kühlschmierstoff über Dichtringe 43 einer umlaufenden Nut 44 zugeführt, von der eine radiale Bohrung bis zu dem das Werkzeug 14 und einen Teil der Spindel 16 axial durchdringenden Kühlschmierstoffkanal 18 reicht.

Um den Einfluß des an der Bohrungswand 111 vorhandenen Kühlschmierstoffs auf das Meßergebnis zu eliminieren, wird der aus dem Werkzeugschaft 15 im Punkt 19 austretende Meßstrahl 21 nicht an die Bohrungswand 111 geführt und dort reflektiert, sondern - wie in Fig. 2 dargestellt ist - an die Innenwand 461 eines Referenzrings 46, der koaxial mit dem Werkstück 10 an diesem drehfest befestigt ist. Die Innenwand 461 des Referenzrings 46 ist hochfein bearbeitet, so daß sie eine extrem geringe Oberflächenrauheit aufweist. Mit einem solchen Referenzring 46 werden hochgenaue Meßergebnisse erzielt.

Bei Heranziehen des Referenzrings 46 muß das vorstehend beschriebene Verfahren zur Kompensation der Abnutzung des Arbeitsmittels 17 etwas modifiziert werden, um direkt das tatsächliche oder "richtige" Abtragsmaß zu erhalten. In diesem Fall wird die Kurzhuboszillation der Spindel 16 bzw. des Bearbeitungswerkzeugs 14 ausgenutzt und das vom Laser- Interferometer ausgegebene Intensitätssignal pro Umdrehung des Werkzeugs 14 einmal abgetastet, und zwar derart, daß der Meßstrahl bei Bearbeiten des dem Referenzring 46 zugekehrten vorderen Bohrungsabschnitts der Bohrung 11 einen Weg zur Innenwand 461 des Referenzrings 46 und bei Bearbeiten des dem Referenzring 46 zugekehrten hinteren Bohrungabschnitts einen kurzen Weg zur Bohrungswand 111 der Bohrung 11 zurücklegt. Aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für den kurzen Weg zur Bohrungswand 111 der Bohrung 11 wird ein Maß für die Abnutzung des Arbeitsmittels 17 und aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für den Weg zur Innenwand 461 des Referenzrings 46 das scheinbare Abtragsmaß ermittelt. In gleicher Weise wie bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird nunmehr das scheinbare Abtragsmaß nach Reduktion um das Maß der Abnutzung des Arbeitsmittels 17 als richtiges Maß des Abtrags in der Bohrung 11 ausgegeben.

Zur Durchführung dieses modifizierten Verfahrens wird in der in Fig. 6 dargestellten Steuer- und Auswerteeinheit 31' der Steuerrechner 39 so modifiziert, daß er die Triggereinheit 38 mit der Drehwinkel- und Axialverschiebestellung des Bearbeitungswerkzeugs 14 so synchronisiert, daß die Triggereinheit 38 bei jeder Werkzeugumdrehung einen Triggerimpuls im zeitlichen Abstand an die Abtasteinheit 37 legt. Diese Zeitpunkte sind entsprechend der Modifikation des Verfahrens nunmehr so gelegt, daß der aus dem Werkzeugschaft 15 austretende Meßstrahl 21 bei momentaner Bearbeitung des dem Referenzring 46 zugekehrten vorderen Bohrungsabschnitts der Bohrung 11 einen Weg zur Innenwand 461 des Referenzrings 46 und bei momentaner Bearbeitung des vom Referenzring 46 abgekehrten hinteren Bohrungsabschnitts der Bohrung 11 einen kurzen Weg zur Bohrungswand 111 der Bohrung 11 zurücklegt. Der Steuerrechner 39 ermittelt aus den ihm zugeführten Abtastwerten die Intensität oder die Phasenlage der Abtastwerte für den kurzen Weg zur Innenwand 111 der Bohrung 11 und die Intensität oder Phasenlage der Abtastwerte für den Weg zur Innenwand 461 des Referenzrings 46. Aus der Änderung der Intensität oder Phasenlagen der Abtastwerte für den Weg zur Innenwand 461 des Referenzrings 46 bestimmt der Steuerrechner 39 das scheinbare Abtragsmaß an der Bohrungswand 111 der Bohrung 11 und aus der Änderung der Intensität oder Phasenlage der Abtastwerte für den kurzen Weg zur Bohrungswand 111 der Bohrung 11 das Maß der Abnutzung des Arbeitsmittels 17. Beide Maße werden dann wie zuvor beschrieben der Subtrahierstufe 40 zugeführt, die von dem scheinbaren Abtragsmaß das Maß der Abnutzung subtrahiert und das Subtraktionsergebnis "richtiges Abtragsmaß" an die Anzeigeeinheit 41 weiterleitet.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zum Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück (10) eingebrachten, insbesondere kleinen Bohrung (11), bei der ein in die Bohrung (11) eintauchendes Bearbeitungswerkzeug (14) mit einem an seinem Umfang angeordneten Arbeitsmittel (17) an der Bohrungswand (111) der Bohrung (11) ansetzt und dabei das Bearbeitungswerkzeug (14) und/oder das Werkstück (10) rotiert und einem radialen Vorschub ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß während des Bearbeitungsprozesses fortlaufend der Abstand zwischen einem am Bearbeitungswerkzeug (14) festgelegten Punkt (19) einerseits und der Bohrungswand (111) der Bohrung (11) oder der Innenwand (461) eines mit dem Werkstück (10) starr verbundenen, koaxialen Referenzrings (46) andererseits interferometrisch gemessen und die Abstandsänderung ermittelt und als Maß für den Abtrag in der Bohrung (11) ausgegeben wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Laser-Interferometers (20) ein Meßstrahl (21) mit einem Meßstrahlabschnitt (211) erzeugt wird, der zwischen dem Punkt (19) am Bearbeitungswerkzeug (14) einerseits und der Bohrungswand (111) oder der Innenwand (461) des Referenzrings (46) andererseits verläuft.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser-Interferometer (20) in einem das Bearbeitungswerkzeug (14) drehfest aufnehmenden Werkzeughalter (16) angeordnet und der Meßstrahlabschnitt (211) an einer arbeitsmittelfreien Stelle am Umfang des Bearbeitungswerkzeugs (14) radial aus dem Bearbeitungswerkzeug (14) herausgeführt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem vom Laser-Interferometer (20) ausgegebenen Intensitätssignal pro Zeitintervall die Anzahl der Maxima oder Nulldurchgänge oder der Schwellendurchgänge durch eine vorgegebene Schwelle bestimmt und die Zunahme der Anzahl als eine dem Abtrag proportionale Größe ausgegeben wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des richtigen Maßes des Abtrags an der Bohrungswand (111) die dem Abtrag proportionale Größe um das Maß einer beim Bearbeitungsprozeß eintretenden Abnutzung des Arbeitsmittels (17) reduziert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Laser-Interferometer (20) ausgegebene Intensitätssignal jeweils zweimal pro Umdrehung abgetastet wird, daß die Abtastzeitpunkte so gewählt werden, daß der Meßstrahl (21) einmal einen kurzen und einmal einen langen Weg zur Bohrungswand (111) der Bohrung (11) zurücklegt, daß aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für den kurzen Weg ein Maß für die Abnutzung des Arbeitsmittels (17) und aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für den langen Weg das scheinbare Abtragsmaß ermittelt wird und daß das scheinbare Abtragsmaß nach Reduktion um das Maß der Abnutzung des Arbeitsmittels (17) als richtiges Maß des Abtrags in der Bohrung (11) ausgegeben wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzeitpunkte so gelegt sind, daß der vom Meßstrahl (21) zurückgelegte kurze Weg minimal und der vom Meßstrahl (21) zurückgelegte lange Weg maximal ist.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungswerkzeug (14) und/oder das Werkstück (10) zusätzlich einer oszillierenden Axialbewegung (49) unterworfen werden, daß das vom Laser-Interferometer (20) ausgegebene Intensitätssignal bei jeder Umdrehung so abgetastet wird, daß der Meßstrahl (21) bei Bearbeiten des dem Referenzring (46) zugekehrten vorderen Bohrungsabschnitts einen Weg zur Innenwand (461) des Referenzrings (46) und bei Bearbeiten des vom Referenzring (46) abgekehrten hinteren Bohrungsabschnitts einen kurzen Weg zur Bohrungswand (111) der Bohrung (11) zurücklegt, daß aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für den kurzen Weg zur Bohrungswand (111) ein Maß für die Abnutzung des Arbeitsmittels (17) und aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für den Weg zur Innenwand (461) des Referenzrings (46) das scheinbare Abtragsmaß ermittelt wird und daß das scheinbare Abtragsmaß nach Reduktion um das Maß der Abnutzung des Arbeitsmittels (17) als richtiges Maß des Abtrags in der Bohrung (11) ausgegeben wird.
  9. 9. Vorrichtung zum Messen des Abtrags bei der Innenrundfeinbearbeitung einer in ein Werkstück (10) eingebrachten, insbesondere kleinen Bohrung (11), bei der der Schaft (15) eines Bearbeitungswerkzeugs (14) in einem rotierenden Werkzeughalter (16) und das Werkstück (10) in einem rotierenden Werkstückhalter (12) eingespannt ist und das Bearbeitungswerkzeug (14) mit einem auf seinem Umfang angeordneten Arbeitsmittel (17) durch einen radialen Vorschub des Werkzeughalters (16) oder des Werkstückhalters (12) radial an die Bohrungswand (111) der Bohrung (11) angedrückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein einen Meß- und Referenzstrahl (21, 22) aufweisendes Laser- Interferometer (20) in dem Werkzeughalter (16) so angeordnet ist, daß der Meßstrahl (21) im Schaft (15) des Bearbeitungswerkzeugs (14) geführt ist und radial aus dem Schaft (15) so austritt, daß er an der Bohrungswand (111) der Bohrung (11) oder an der Innenwand (461) eines mit dem Werkstück (10) drehfest verbundenen, zu diesem koaxialen Referenzring (46) reflektiert wird, und daß dem Laser-Interferometer (20) eine Steuer- und Auswerteeinheit (31) nachgeschaltet ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser-Interferometer (20) eine den Meßstrahl (21) und eine den Referenzstrahl (22) führende Single-Mode- Faser (23 bzw. 24), eine an dem einen Ende der einen Faser (23) angekoppelte, lichtemittierende Laserdiode (25) und eine an dem anderen Ende dieser Faser (23) angekoppelt Linse (26) mit nachfolgendem Spiegelprisma (27), an dem der Meßstrahl (21) zum radialen Austritt aus dem Schaft (15) umgelenkt wird, eine an dem einen Ende der anderen Faser (24) angekoppelte, lichtempfangende Fotodiode (28) und eine das andere Ende dieser Faser (24) verschließende Spiegelfläche (29) aufweist und daß die beiden Fasern (23, 24) durch einen Schmelzkoppler (30) so miteinander verbunden sind, daß der von der Laserdiode (25) erzeugte Laserstrahl in den in der einen Faser (23) verlaufenden Meßstrahl (21) und den in der anderen Faser (24) verlaufenden Referenzstrahl (22) aufgeteilt und der reflektierte Meßstrahl (21) sowie der an der Spiegelfläche (29) reflektierte Referenzstrahl (22) zur Fotodiode (28) gelangen.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode (25) und der Schmelzkoppler (30) in dem rotierenden Werkzeughalter (16) und die Fotodiode (28) räumlich feststehend angeordnet ist, daß die zur Fotodiode (28) führende Faser (24) mit ihrem Stirnende (241) innerhalb der Stirnfläche (161) des Werkzeughalters (16) in dessen Achse liegt und daß zur optischen Ankopplung der Fotodiode (28) entweder die Fotodiode (28) oder das Ende eines zur Fotodiode (28) führenden Lichtleiters (47) dem Stirnende (241) der Faser (24) mit Spaltabstand zum rotierenden Werkzeughalter (16) fluchtend gegenüberliegt.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Fotodiode (28) angeschlossene Steuer- und Auswerteeinheit (31) einen Impulsgeber (32), der im Intensitätssignal der Fotodiode (28) Nullstellen, Maxima oder Schwellendurchgänge durch eine vorgegebene Schwelle detektiert und jeweils einen Impuls ausgibt, einen die Impulse zählenden Zähler (33), der von einer Triggereinheit (34) zurückgesetzt wird, und einen Steuerrechner (35) aufweist, der einerseits die Triggereinheit (34) so steuert, daß sie mit der Drehwinkelstellung des Bearbeitungswerkzeugs (14) synchronisiert ist und bei jeder Umdrehung des Werkzeugs (14) oder einem Vielfachen davon einen Rücksetzimpuls an den Zähler (33) gibt und andererseits aus den bei Zählerrücksetzung vorhandenen Zählerständen ein Maß für den Abtrag an der Bohrungswand (111) der Bohrung (11) ermittelt.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Fotodiode (28) angeschlossene Steuer- und Auswerteeinheit (31') eine Abtasteinheit (37), die von einer Triggereinheit (38) gesteuert ist und mit jedem Triggerimpuls einen Abtastwert des Intensitätssignal der Fotodiode (28) ausgibt, einen Steuerrechner (39), der einerseits die Triggereinheit (38) mit der Drehwinkelstellung des Bearbeitungswerkzeugs (14) so synchronisiert, daß sie pro Werkzeugumdrehung zwei Triggerimpulse zu solchen Zeitpunkten an die Abtasteinheit (37) legt, zu denen der aus dem Schaft (15) des Bearbeitungswerkzeugs (14) austretende Meßstrahl (21) signifikant unterschiedliche Wege bis zur Bohrungswand (111) zurücklegt, und andererseits aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für den vom Meßstrahl (21) zurückgelegten größeren Weg ein scheinbares Abtragsmaß und aus der Änderung der Intensität oder Phasenlage der Abtastwerte für den vom Meßstrahl (21) zurückgelegten kleineren Weg ein Maß für die Abnutzung des Arbeitsmittels (17) bestimmt, und eine Subtrahierstufe (40) aufweist, die aus dem ihr zugeführten scheinbaren Abtragsmaß und aus dem ihr zugeführten Abnutzungsmaß das richtige Maß des Abtrags an der Bohrungswand (111) ausgibt.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem aus dem Schaft (15) des Bearbeitungswerkzeugs (14) austretenden Meßstrahl (12) bis zur Bohrungswand (111) zurückzulegenden Wege ein minimaler und ein maximaler Weg sind.
  15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungswerkzeug (14) zur oszillierenden Axialbewegung angetrieben ist, daß die an der Fotodiode (28) angeschlossene Steuer- und Auswerteeinheit (31') eine Abtasteinheit (37), die von einer Triggereinheit (38) gesteuert ist und mit jedem Triggerimpuls einen Abtastwert des Intensitätssignals der Fotodiode (28) ausgibt, einen Steuerrechner (39), der einerseits die Triggereinheit (38) mit der Drehwinkelstellung des Bearbeitungswerkzeugs (14) so synchronisiert, daß sie pro Werkzeugumdrehung einen Triggerimpuls zu solchen Zeitpunkten an die Abtasteinheit legt, zu denen der aus dem Schaft austretende Meßstrahl (21) bei momentaner Bearbeitung des dem Referenzring (46) zugekehrten vorderen Bohrungsabschnitts einen Weg zur Innenwand (461) des Referenzrings (46) und bei momentaner Bearbeitung des vom Referenzring (46) abgekehrten hinteren Bohrungsabschnitts einen kurzen Weg zur Bohrungswand (111) der Bohrung (11) zurücklegt, und andererseits aus der Änderung der Intensität oder der Phasenlage der Abtastwerte für den vom Meßstrahl (21) zur Innenwand (461) des Referenzrings (46) zurückgelegten Weg ein scheinbares Abtragsmaß und aus der Änderung der Intensität oder Phasenlage der Abtastwerte für den vom Meßstrahl (21) zurückgelegten kurzen Weg zur Bohrungswand (111) der Bohrung (11) ein Maß für die Abnutzung des Arbeitsmittels (17) bestimmt und eine Subtrahierstufe aufweist, die aus dem ihr zugeführten scheinbaren Abtragsmaß und aus dem ihr zugeführten Abnutzungsmaß das richtige Maß des Abtrags an der Bohrungswand (111) ausgibt.






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