[0001] Die Erfindung betrifft eine Feinstbearbeitungsmaschine zur Oberflächenbearbeitung
von rotationssymmetrischen Werkstücken, die spitzenlos gelagert und durchlaufend bearbeitet
werden. Insbesondere betrifft sie solche Maschinen mit pneumatischen Schwingern zur
Bewegung von Finishsteinen und deren Regelvorrichtungen. Sie ist aber auf diese Maschinen
nicht begrenzt. Es kommen auch hydraulische, elektromagnetische oder federmechanische
Antriebe in Betracht.
[0002] Solche Feinstbearbeitungsmaschinen dienen zur Bearbeitung von äußeren zylindrischen
Oberflächen, zur Verbesserung der Oberflächenqualität, zum exakten Ausformen des Krümmungsradiuses
und zur Einstellung der exakten Große dieser Werkstücke.
[0003] Ausgegangen wird von einer Feinstbearbeitungsmaschine, wie sie im US-Patent 4,558,537
beschrieben ist. Die zu bearbeitenden Werkstücke werden durch zwei Antriebswalzen
spitzenlos gelagert und durch ein gleichsinniges Drehen dieser Walzen in Rotation
versetzt. Oberhalb der Walzen und Werkstücke sind nebeneinander mehrere Bearbeitungsstationen
angeordnet. Jede Bearbeitungsstation besteht aus einem Finishstein, der von einem
Steinhalter gehalten wird. Der Steinhalter ist mit einer Kolbenstange eines Steuerzylinders
verbunden. Über diesen Zylinder kann der Finishstein gesteuert an das zu bearbeitende
Werkstück herangefahren oder auch wieder von ihm zurückgefahren werden.
[0004] Der Anpreßdruck der Finishsteine ist über eine Steuerung veränderbar, um sich wechselnden
Oberflächen anpassen zu können und um den Verschleiß der Finishsteine ausgleichen
zu können. Die Finishsteine werden zusätzlich in schwingende Bewegungen in Richtung
der Antriebswalzenachsen versetzt.
[0005] Es hat sich bei Untersuchungen an spitzenlosen Durchlaufmaschinen gezeigt, daß der
Materialabtrag und damit die Qualität des zu bearbeitenden Werkstückes neben den
technologischen Parametern wie zum Beispiel Walzendrehzahl, Anlagewinkel, Anpreßdruck
ursächlich mit der Schwingamplitude der Finishsteine zusammenhängt.
[0006] Ferner konnte festgestellt werden, daß eine Änderung des Kontaktverhaltens zwischen
Werkstück und Werkzeug (Werkstückmaterial, Steinspezifikation, Anzahl der im Eingriff
befindlichen Steine, Anpreßdruck, Steinlängen) unmittelbaren Einfluß auf die resultierende
Schwingamplitude besitzt.
[0007] Für das Konstanthalten einer einmal erreichten Qualität bei einem definierten Arbeitsfall
sollte demnach vor allem die Schwingamplitude des Werkzeugs konstant gehalten werden,
weil hieraus die größten Einflüsse resultieren.
[0008] Die DE-28 14 761 beschreibt ein komplexes Schwingungsverfahren zum Polieren begrenzter
Flächen sowie die Antriebsvorrichtungen für das Erzeugen der Schwingungen. Die Kontrolle
der Schwingbegrenzungen erfolgt manuell oder über elektrische Endschalter.
[0009] Die DE-30 07 314 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten von
Lagerflächen, wobei die Kontrolle der Schwingbewegung der Schleifsteine ebenfalls
über elektrische oder mechanische Endschalter erfolgt.
[0010] Die DE-31 33 246 beschreibt eine Werkzeugmaschine mit anschlagloser Wegbegrenzung,
wobei über Potentiometer eine Spannung gebildet wird, die dem aktuellen Ort des Werkzeugs
entspricht. Über den Vergleich mit vorgegebenen Spannungsgrenzwerten erfolgt dann
eine Wegbegrenzung der Werkzeugposition.
[0011] Die in diesen Schriften beschriebenen Werkzeugsteuerungsvorrichtungen erlauben nur
eine grobe Kontrolle über die Werkzeugbewegungen.
[0012] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine automatische Vorrichtung
mit einer entsprechenden Schaltung verfügbar zu machen, die das präzise Regeln, insbesondere
das Konstanthalten der Schwingamplitude der Bewegung von Bearbeitungswerkzeugen insbesondere
von Finishsteinen, ermöglicht. Darüber hinaus sollten die beeinflußten Parameter anzeigbar
sein.
[0013] Gelöst wird diese Aufgabe im Prinzip dadurch, daß die tatsächliche Bewegung der Finishsteine
gemessen und mit einem vorgegebenen Sollwert verglichen wird. Dazu weist eine gemeinsame
Querverbindung der Finishsteine, über die die Finishsteine zum gemeinsamen Schwingen
angeregt werden, einen entsprechenden Meßfühler zur Aufnahme der Bewegung auf. Die
Bewegung der Finishsteine kann beispielsweise über einen Wegaufnehmer oder Beschleunigungsmesser
ermittelt werden. Dessen Meßwerte werden zu Kontrollzwecken angezeigt und zur Auswertung
einem Prozeßrechner zugeführt. Diese Ist-Werte werden über Meßleitungen dem Prozeßrechner
zugeführt. Über eine weitere Leitung erhält der Prozeßrechner die zugehörigen Sollwerte
dieser Meßgrößen. Der Prozeßrechner vergleicht diese Werte und regelt dem Ergebnis
entsprechend die Schwingbewegung der Finishsteine. Dazu ist der Ausgang des Prozeßrechners
über eine Steuerleitung mit einem regelbaren Druckventil verbunden. Dieses Druckventil
befindet sich in einer Druckversorgungsleitung eines pneumatischen Zylinders, der
zum Schwingungsantrieb der Finishsteine dient. Dazu ist die Kolbenstange dieses Zylinders
mit der gemeinsamen Querverbindung der Finishsteine verbunden.
[0014] Durch eine solchermaßen ausgebildete Steuerungsvorrichtung werden folgende Vorteile
erzielt:
- Amplitudenkonstanz im Leerlauf und während der Bearbeitung (z.B. bei Einrichtarbeiten)
- Kontrolle der Schwingerfunktion
- Nachregelung der Schwingamplitude über sehr lange Zeiträume infolge von Änderungen
im Reibungs- und Verschleißverhalten
- Nachregelung der Schwingamplitude über prozeßbedingte Änderungen, die als Meßgrößen
zur Verfügung stehen
- konstanter Materialabtrag bei unterschiedlichen Kontaktbedingungen (Qualitätskonstanz)
- Möglichkeit zur Realisierung einer definierten Bearbeitung mit vorher bestimmbarer,
nicht abhängiger Amplitude
- Möglichkeit zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses
- Visuelle Kontrolle der Amplitude
[0015] Die neuerungsgemäße Steuerungsvorrichtung kann auch zur Nachrüstung schon bestehender
Feinstbearbeitungsmaschinen verwendet werden.
[0016] Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung zweier in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele.
[0017] Es zeigen
Figur 1: eine perspektivische Ansicht einer teilweise schematischen Darstellung des
zentralen Teils einer spitzenlosen Durchlauf-Superfinishmaschine mit zugehörigen Steuerungsvorrichtungen,
wobei ein Wegmesser als Bewegungsaufnehmer vorgesehen ist und
Figur 2: eine Darstellung gemäß Figur 1, wobei ein Beschleunigungsaufnehmer als Bewegungsaufnehmer
vorgesehen ist.
[0018] In den Figuren 1 und 2 ist der zentrale Teil einer spitzenlosen Durchlauf-Superfinishmaschine
dargestellt.
[0019] Die Maschine weist einen Schwingförderer 12 auf, über den einzelne zu bearbeitende
Werkstücke 10 kontinuierlich in Pfeilrichtung der Maschine zugeführt werden. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel handelt es sich um im wesentlichen zylindrische Rollen, welche
von einer Vorbearbeitungsstation, beispielsweise einer Schleifmaschine, zugeführt
werden. In der Superfinishmaschine erhalten diese Werkstücke 10 auf der zylindrischen
Mantelfläche ihre endgültige Oberflächengüte, in dem sie in der Maschine nacheinander
mehreren Bearbeitungsstationen ausgesetzt sind. Ein zweiter Schwingförderer 18 dient
dem Abtransport (in Pfeilrichtung) der endgültig bearbeiteten Werkstücke 10.
[0020] Zwei Antriebswalzen 14 und 16 dienen zur spitzenlosen Lagerung und zum Vortrieb der
Werkstücke 10 während der Bearbeitung. Die Walzen 14 und 16 drehen sich gleichsinnig
und versetzen damit die Werkstücke 10 in Drehung. Die Achsen der Walzen 14 und 16
vergrößern über den Weg leicht ihren Abstand, wodurch sich die Werkstücke 10 entlang
der Walzen vorwärtsbewegen. Über den Walzen sind im dargestellten Beispiel sieben
aufeinanderfolgende Bearbeitungsstationen A, B, C, D, E, F, G angeordnet.
[0021] Jede Bearbeitungsstation weist einen Finishstein 20 auf. Gehalten wird der Finishstein
20 von einem Steinhalter 22. Der Steinhalter 22 ist mit einer Zustellstange 24 verbunden,
die über einen Zustellzylinder 26 bewegbar ist. Durch diese Anordnung kann jeder Finishstein
20 von und zum Werkstück 10 ab- und zugestellt werden, unabhängig von den Finishsteinen
20 der anderen Bearbeitungsstationen. Damit werden unterschiedliche Abmessungen der
Finishsteine 20 ausgeglichen oder unterschiedliche Bearbeitungen möglich.
[0022] In der Achsenrichtung der Walzen 14 und 16 sind die einzelnen Bearbeitungsstationen
miteinander über eine Stange 30 verbunden.
[0023] Die Stange 30 ist auf ihrer einen Seite mit einem Kolben 32 verbunden. Mit Hilfe
dieses Kolbens 32 kann die Stange 30 in eine schnelle oszillierende Bewegung in Richtung
der Achsen der Walzen 14 und 16 versetzt werden. Dies führt gleichzeitig zu einer
hin- und hergehenden Antriebsbewegung der Finishsteine 20. Der Kolben 32 wird pneumatisch
betätigt, wofür eine Druckluftzuleitung 34 vorgesehen ist, die über ein Steuerventil
36 und eine weitere Druckluftleitung 40 mit einem Druckerzeuger 38 verbunden ist.
[0024] Die Stange 30 ist ferner mit einem Bewegungsaufnehmer 50 versehen zur Messung der
Bewegung der Stange 30 und damit auch der Finishsteine 20.
[0025] In einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist als Bewegungsaufnehmer 50 ein
Wegmesser vorgesehen, mit dem die Schwingungsamplitude und die Frequenz der Bewegung
der Finishsteine (20) festgestellt wird. Als Wegmesser können beispielsweise Widerstandsgeber
oder induktive Geber Verwendung finden.
Über eine Meßleitung 90 ist der Wegmesser 50 mit einem Anzeigegerät 92 zur Anzeige
von Amplitude und Frequenz der Schwingung und weiter mit einem Prozeßrechner 80 verbunden.
Der Prozeßrechner 80 vergleicht die ihm über die Leitung 90 zugeführten Istwerte der
Amplitude und der Frequenz der Stange 30 mit dem ihm über eine Leitung 82 zugeführten
Sollwerte von Amplitude und Frequenz.
[0026] Über eine Ausgangsleitung 84 ist der Prozeßrechner 80 mit dem Steuerventil 36 verbunden.
In Abhängigkeit der Differenzen von Ist- und Sollwerten der Amplitude und Frequenz
der Bewegung der Stange 30 steuert der Prozeßrechner 80 über das Servoventil 36 den
Druck im Kolben 32 und damit die Schwingungsamplitude der Finishsteine 20.
[0027] In Figur 2 ist als Bewegungsaufnehmer (50) ein Beschleunigungsmesser vorgesehen,
mit dem die Beschleunigung und die Frequenz der Bewegung der Stange (30) und damit
der Finishsteine (20) festgestellt wird. Als Beschleunigungsmesser können beispielsweise
Lotfühler oder Trägheitsfühler mit Kapazitiven, induktiven oder piezoelektrischen
Wandlern Verwendung finden.
[0028] Über eine Meßleitung 52 ist der Beschleunigungsaufnehmer 50 mit einer Ader 54 mit
einem Anzeigegerät 56 verbunden, das zur Anzeige der Beschleunigung dient.
[0029] Mit der anderen Ader 58 ist der Beschleunigungsaufnehmer 50 mit einem weiteren Anzeigegerät
60 verbunden, das zur Anzeige der Frequenz der Bewegung der Stange 30 dient. Beide
Adern 54 und 58 sind mit einem Integrator 62 verbunden. Dessen Ausgang ist über eine
Leitung 64 mit einem weiteren Anzeigegerät 66 verbunden, das zur Anzeige der Bewegungsgeschwindigkeit
der Stange 30 dient. Die Leitung 64 ist zugleich mit einem zweiten Integrator 68 verbunden.
Dessen Ausgang ist mit einer Leitung 70 mit einem Anzeigegerät 72 verbunden, das zur
Anzeige der Bewegungsstrecke der Stange 30 dient.
[0030] Die Leitung 70 ist zugleich mit einem Prozeßrechner 80 verbunden. Die Ader 58 des
Beschleunigungsaufnehmers 50 ist über eine Leitung 74 ebenfalls mit dem Prozeßrechner
80 verbunden. Der Prozeßrechner 80 vergleicht die ihm über die Leitungen 70 und 74
zugeführten Istwerte der Beschleunigung und der Frequenz der Stange 30 mit dem ihm
über eine Leitung 82 zugeführten Sollwerte von Beschleunigung und Frequenz.
[0031] Über eine Ausgangsleitung 84 ist der Prozeßrechner 80 mit dem Steuerventil 36 verbunden.
In Abhängigkeit der Differenzen von Ist- und Sollwerten der Beschleunigung und Frequenz
der Bewegung der Stange 30 steuert der Prozeßrechner 80 über das Servoventil 36 den
Druck im Kolben 32 und damit die Schwingungsamplitude der Finishsteine 20.
[0032] Anhand des Ausführungsbeispiels 2 gemäß Figur 2 soll die Wirkungsweise der vorliegenden
Erfindung nochmals näher erläutert werden:
[0033] Die Aufgabe der Erfindung, während der Bearbeitung von Werkstücken in einer spitzenlosen
Durchlaufmaschine die Schwingungsamplitude aller Bearbeitungsstationen und damit der
oszillierenden Bewegung der Finishsteine 20 auf der Bearbeitungsfläche der Werkstücke
10 zu kontrollieren, sowie auf die Schwingungsamplitude dämpfende Einflüsse zu reagieren,
wird zunächst dadurch gelöst, daß der Beschleunigungsaufnehmer 50 auf jede einzelne
Beschleunigung reagiert. Von ihm geht ein der zweiten Ableitung des tatsächlichen
Weges proportionales elektrisches Signal x
ist aus. Dieses Signal
ist kann in zweifacher Weise angezeigt werden. Auf dem Anzeigegerät 56 wird die tatsächliche
Beschleunigung in m/s² angezeigt. Jede Abweichung von der Sollbeschleunigung kann
somit abgelesen und erkannt werden.
[0034] Mit dem zweiten Anzeigegerät 60 wird aus dem Signal X
ist die Schwingung pro Zeiteinheit dargestellt. In dem ersten Integrator 62 wird als
erste Integrationsstufe aus der Beschleunigung die Geschwindigkeit als elektrisches
Signal x gewonnen und auf dem Anzeigegerät 66 ablesbar gemacht. Dasselbe elektrische
Signal x wird dem zweiten Integrator 68 zugeführt. In dieser Integrationsstufe wird
aus der Geschwindigkeit x ein elektrische Signal x für den maximalen Weg oder die
Bearbeitungsstrecke ermittelt und sowohl auf dem Anzeigegerät 72 sichtbar gemacht
als auch als ein Istwert für die Bewegungsamplitude dem Prozeßrechner 80 zugeführt.
[0035] Die vorstehend erwähnten einzelnen Anzeigegeräte 56, 60, 66 und 72 sind in der Praxis
keine Einzelgeräte, sondern Anzeigen, welche wahlweise auf eine ohnehin an der Maschine
vorhandene Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einem zentralen Bildschirm, auf dem
auch die Sollwerte für die Einrichtung der Maschine oder alle anderen Betriebszwecke
sichtbar gemacht werden, aufschaltbar sind. Die Ablesemöglichkeit der umschaltbar
darzustellenden Werte für die Beschleunigung, die Frequenz, die Geschwindigkeit und
die Amplitüde stellt zwar eine Kontrollmöglichkeit für die Bedienungsperson dar, reicht
aber zur automatischen Nachregelung im Sinne der Konstanthaltung der Amplitude nicht
aus.
[0036] Zur automatischen Nachregelung und Konstanthaltung der Amplitude werden die gewonnenen
und verarbeiteten elektrischen Größen in dem dargestellten Beispiel für die Frequenz
f
ist über die Leitung 74 und der Weg x über die Leitung 70 dem Prozeßrechner 80 zugeführt.
In dieser Rechenstufe 80 findet ein Vergleich mit dem über die Leitung 82 zugeführten
Sollwert für die Amplitude statt. Jede Abweichung zwischen einem gestellten Sollwert
und einem festgestellten Istwert x führt am Ausgang zu einem elektrischen Steuersignal
ΔU in der Steuerleitung 84 zum Steuerventil 36. Entsprechend der Richtung und Größe
des Steuersignals ΔU erfolgt eine Druckveränderung Δp in der Druckluftzuleitung 34
zum pneumatischen Antrieb 34 für die Oszillationsbewegung der Finishsteine 20.
[0037] Eine nicht dargestellte Variante besteht darin, daß dem Prozeßrechner 80 auch die
Istwerte der Geschwindigkeit ẋ oder die Beschleunigung

direkt zugeführt werden, während zugleich entsprechende Sollwertvorgaben statt oder
zusätzlich zum Amplituden-Sollwert eingegeben werden.
1. Automatische spitzenlose Feinstbearbeitungsvorrichtung für oberflächenrotationssymmetrische
Körper in einer Durchlaufmaschine mit mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsstationen
mit einzeln zustellbaren Finishsteinen, die über einen gemeinsamen Antrieb zum Schwingen
angeregt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß der gemeinsame Schwingungsantrieb (32) mit allen angetriebenen Teilen (20-30)
mit einer Aufnahmevorrichtung (50) zur Aufnahme der Schwingbewegung verbunden ist,
deren elektrischer Ausgang mit einem Prozeßrechner (80) verbunden ist, dem ein Sollwert
über eine Leitung 82 zugeführt ist und dessen Ausgang an ein regelbares Steuerorgan
(36) angelegt ist, welches dem Schwingungsantrieb (32) vorgeschaltet ist.
2. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Aufnahmevorrichtung (50) zur Aufnahme der Schwingbewegung um einen
Beschleunigungsaufnehmer handelt, dessen elektrischer Ausgang über Integratoren (62,
68) mit dem Prozeßrechner (80) verbunden ist.
3. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Aufnahmevorrichtung (50) zur Aufnahme der Schwingbewegung um einen
Wegaufnehmer handelt, dessen elektrischer Ausgang direkt mit dem Prozeßrechner (80)
verbunden ist.
4. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Wegaufnehmer (50) und Prozeßrechner (80) ein Anzeigegerät (92) zur Anzeige
der Schwingungsamplitude eingefügt ist.
5. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Beschleunigungsaufnehmer (50) und dem Prozeßrechner (80) Leitungen
abgezweigt sind, die zu visuellen Anzeigegeräten (56, 60, 66, 72) geführt sind.
6. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 5
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Übertragung der Schwingungsfrequenz eine direkte Leitung (74) von dem Beschleunigungsaufnehmer
(50) zum Prozeßrechner (80) geführt ist.
7. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, 5 oder 6
dadurch gekennzeichnet,
daß in einer Leitung (52, 54, 64, 70) zur Übertragung der Schwingungsamplitude von
dem Beschleunigungsaufnehmer (50) zum Prozeßrechner (80) zwei Integrationsstufen
(62, 68) zwischengeschaltet sind.
8. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach Ansprüchen 2,5, 6 oder 7
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abzweigungen für die Anzeigegeräte (56, 60, 66, 72) von den Verbindungsleitungen
(52, 54, 58, 64, 70, 74) zwischen dem Beschleunigungsaufnehmer (50) und dem Prozeßrechner
(80) an folgenden Stellen angeordnet sind:
a) an der direkten Leitung (52, 58, 74) vom Beschleunigungsaufnehmer (50) zu dem Prozeßrechner
(80)
b) vor der ersten Integrationsstufe (62)
c) vor der zweiten Integrationsstufe (68)
d) nach der zweiten Integrationsstufe (68)
9. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
daß das regelbare Steuerorgan (36) ein Servoventil in einer Druckfluidumsleitung (40,
34) ist.
10. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingungsantrieb (32) pneumatisch in einen einfach oder doppelt wirkenden
Zylinder ausgeführt ist.
11. Feinstbearbeitungsvorrichtung nach Ansprüchen 2 oder 5 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Beschleunigungsaufnehmer (50) in Form eines Massependels ausgeführt ist, dessen
Kraft über Federn, Kohledruck, durch Induktions- oder Kapazitätsmessung oder mittels
Piezoeffekt gemessen wird.