Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken, die eine Vorschubeinrichtung mit einem Schlitten und einem NC-gesteuerten Antrieb, eine Motorspindeleinheit mit einer motorisch angetriebenen Werkzeugspindel sowie eine Kraftmesseinrichtung zum Messen der bei einer Werkstückbearbeitung auf die Werkzeugspindel wirkenden Andrückkraft aufweist.

[0002] Eine derartige Vorrichtung ist aus US 5 072 550 A bekannt. Dabei ist die Motorspindeleinheit auf dem Schlitten gelagert und die piezoelektrische Kraftmesseinrichtung ist zwischen der Motorspindeleinheit und dem Schlitten angeordnet.

[0003] Es ist auch bekannt, die bei der Werkstückbearbeitung auf die Werkzeugspindel wirkende Andrückkraft kontinuierlich zu messen und den Anpressdruck des Bearbeitungswerkzeuges an der Werkstückoberfläche stufenweise auf einen vorbestimmten Grenzwert nachzuregeln, bei dem ein optimaler Materialabtrag erfolgt (DE 39 30 457 A1). Ferner ist in DE 197 38 818 A1 ein Verfahren beschrieben, bei dem in Abhängigkeit von Maß- und Formabweichungen der Werkstückgeometrie, die während der Werkstückbearbeitung ermittelt werden, die Andrückkraft bzw. die Zustellung des Bearbeitungswerkzeuges geregelt wird. Der Werkzeugträger ist mit einer Messeinrichtung versehen, die einen Feintaster und Abstützelemente aufweist.

[0004] Bei der Finishbearbeitung von kleinteiligen Werkstücken, z. B. der Finishbearbeitung an Sitzflächen von Brennstoffeinspritzventilen, an planen Flächen von Miniaturdrucksensoren o. dgl., sind präzise geführte Zustellbewegungen des rotierenden Schleifwerkzeuges erforderlich, um hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstückfläche zu erfüllen. Die Zustellung muss so eingerichtet sein, dass das Bearbeitungswerkzeug mit definierter, feinfühlig einstellbarer Kraft an der zu bearbeitenden Werkstückfläche anliegt. Es müssen im Regelfall Andrückkräfte von weniger als 100 N und bei sehr kleinen Werkstücken Andrückkräfte in der Größenordnung von 1 bis 25 N eingestellt werden.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken anzugeben, die kraftgesteuerte Zustellbewegungen mit feinfühlig einstellbarer und präzise eingehaltener Andrückkraft ermöglicht.

[0006] Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung des eingangs beschriebenen Aufbaues erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Motorspindeleinheit mit federnden Elementen, die das Gewicht der Motorspindeleinheit aufnehmen und lediglich in Bearbeitungsrichtung beweglich sind, an dem Schlitten gelagert ist und dass die Kraftmesseinrichtung zwischen Anschlusselementen an der Motorspindeleinheit und am Schlitten angeordnet ist.

[0007] Vorzugsweise ist die Motorspindeleinheit auf Blattfedern abgestützt, die quer zur Vorschubrichtung des Schlittens ausgerichtet sind. Die vertikal ausgerichteten, mit kurzer freier Länge eingespannten Blattfedern sind in Vorschubrichtung der Spindel sehr nachgiebig und flexibel, so dass Andrückkräfte an der Werkzeugspindel feinfühlig und verlustarm auf die Kraftmesseinrichtung übertragen werden. Insbesondere bei einer Einspannung mit kurzer freier Länge können die Blattfedern große vertikale Kräfte sowie große Querkräfte aufnehmen. Sie eignen sich daher zur Abstützung der Motorspindeleinheit auf dem Schlitten, wobei zusätzliche, reibungsbehaftete Führungen nicht erforderlich sind.

[0008] Die Kraftmesseinrichtung ist zwischen den federnden Elementen, z. B. an der Unterseite der Motorspindeleinheit zwischen den Blattfedern, angeordnet oder kann an das in Arbeitsrichtung rückseitige Ende der Motorspindeleinheit angeschlossen sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführung weist die Kraftmesseinrichtung ein Piezoelement als Kraftsensor auf. Das Piezoelement ermöglicht sehr präzise Kraftmessungen bei extrem geringen Verformungen. Die Verwendung anderer Kraftsensoren soll nicht ausgeschlossen sein. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre können auch Dehnungsmessstreifen sowie magnetorestriktive Sensoren eingesetzt werden.

[0009] Der Kraftsensor, z. B. ein Piezoelement, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwischen zwei Kontaktelementen angeordnet, die kugelförmige Kontaktflächen aufweisen. Die kugelförmigen Kontaktflächen sind an ringförmigen oder schalenförmigen Lagerflächen der an der Motorspindeleinheit und dem Schlitten vorgesehenen Anschlusselemente abgestützt. Bei dieser Ausführung ist gewährleistet, dass der Kraftsensor querkraftfrei eingespannt ist und die auf die Werkzeugspindel wirkenden Andrückkräfte verlustarm auf den Kraftsensor übertragen werden. Dabei ist eine Vorspannung des Kraftsensors zweckmäßig. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Kraftmesseinrichtung sieht vor, dass die Kontaktelemente bolzenförmig ausgebildet sind, wobei ein Bolzen eine Gewindebohrung und der andere Bolzen eine Längsbohrung aufweist, und dass die Bolzen durch eine Dehnungsschraube mit definierter Vorspannkraft gegen den zwischen den Bolzen angeordneten Kraftsensor verspannt sind. Ferner ist das schlittenseitige Anschlusselement für die Kraftmesseinrichtung zweckmäßig an einem Träger angeordnet, der in Führungsnuten des Schlittens verstellbeweglich befestigt ist.

[0010] Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine sehr genaue und feinfühlige Erfassung der bei der Finishbearbeitung von Werkstückflächen auf die Werkspindel wirkenden Andrückkräfte. Die Kraftmesswerte werden der NC-Steuerung des Vorschubantriebes zugeführt. Mit einer nach dem Stand der Technik ausgeführten hochauflösenden NC-Zustellung des Schlittens lassen sich minimale Kräfte, z. B. im Bereich zwischen 0,1 N und 10 N definiert auf das Werkstück bringen. Bei der Finishbearbeitung von kleinstückigen Serienteilen wird dabei eine hohe Oberflächengüte erreicht. In Verbindung mit einem in der Vorrichtung integrierbaren Wegmesssystem kann ferner der zeitliche Verlauf des Zustellweges messtechnisch erfasst werden. Aus den Messwerten der Kraftmesseinrichtung und/oder des Wegmesssystems können Steuerbefehle zur Prozessführung bei der Werkstückbearbeitung abgeleitet werden.

[0011] Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch

Fig. 1

eine Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken,

Fig. 2

eine weitere konstruktive Ausgestaltung der Vorrichtung, ausschnittsweise und in einer gegenüber Fig. 1 stark vergrößerten Darstellung,

Fig. 3

eine Draufsicht auf den in Fig. 2 dargestellten Gegenstand.

[0012] Zum grundsätzlichen Aufbau der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gehören eine Vorschubeinrichtung 1 mit einem Schlitten 2 und einem NC-gesteuerten Antrieb 3, eine Motorspindeleinheit 4 mit einer motorisch angetriebenen Werkzeugspindel 5 sowie eine Kraftmesseinrichtung 6 zum Messen der bei einer Werkstückbearbeitung auf die Werkzeugspindel 5 wirkende Andrückkraft. Die Motorspindeleinheit 4 ist mit Blattfedern 7 an dem Schlitten 2 gelagert, wobei die Blattfedern 7 quer zur Vorschubrichtung des Schlittens 2 ausgerichtet sind und das Gewicht der Motorspindeleinheit 4 aufnehmen. Die Kraftmesseinrichtung 6 ist zwischen Anschlusselementen 8, 9 an der Motorspindeleinheit 4 und am Schlitten 2 angeordnet und mit einem Piezoelement als Kraftsensor 10 ausgerüstet. Der Schlitten 2 weist eine nach dem Stand der Technik ausgebildete Präzisonsschlittenführung 11 sowie als Antriebsaggregat eine Rollspindel 12 auf. Andere Ausführungen der Vorschubeinrichtung 1, z. B. ein Linearantrieb, sind nicht ausgeschlossen.

[0013] Die Einspannung der Blattfedern 7 sowie die Ausbildung der Kraftmesseinrichtung 6 ist in den Fig. 2 und 3 ausführlicher dargestellt. Der Kraftsensor 10 ist zwischen zwei Kontaktelementen angeordnet, die im Ausführungsbeispiel als Bolzen 13, 13' ausgebildet sind und Kontaktflächen 14 aufweisen. Die Kontaktflächen 14 sind an ringförmigen oder schalenförmigen Lagerflächen der der Anschlusselemente 8, 9 abgestützt. Einer der Bolzen 13 weist eine Gewindebohrung, der andere Bolzen 13' eine Längsbohrung auf. Die Bolzen 13, 13' sind durch eine Dehnungsschraube 15 mit definierter Vorspannkraft gegen den zwischen den Bolzen 13, 13' angeordneten Kraftsensor 10 vorgespannt. Zweckmäßig ist eine Vorspannkraft zwischen 100 und 200 N. Den Fig. 2 und 3 entnimmt man ferner, dass das schlittenseitige Anschlusselement 9 für die Kraftmesseinrichtung 6 an einem Träger 16 angeordnet ist, der mit Nutensteinen 17 in Führungsnuten 18 des Schlittens 2 verstellbeweglich befestigt ist.

[0014] In dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kraftmesseinrichtung 6 an das in Arbeitsrichtung rückseitige Ende der Motorspindeleinheit 4 angeschlossen. Die beiden Blattfedern 7, von denen in den Fig. 2 und 3 nur die rückwärtige Blattfeder dargestellt ist, sind mit einer kurzen Einspannlänge an Trägerplatten 19, 20 befestigt, die an dem Schlitten 2 bzw. an der Unterseite der Motorspindeleinheit 4 befestigt sind. Sicherungsstifte 21 verhindern unzulässig große Bewegungen der Motorspindeleinheit 4, wenn beispielsweise Werkzeugwechsel oder sonstige Montagearbeiten vorgenommen werden.

[0015] Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Kraftmesseinrichtung 6 kann auch an der Unterseite der Motorspindeleinheit 4 zwischen den Blattfedern 7 angeordnet sein, wie dies in Fig. 1 schematisch dargestellt ist.

[0016] Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zusätzlich mit einer Weglängenmesseneinrichtung 22 ausgerüstet sein, mit der der zeitliche Verlauf des Zustellweges messtechnisch erfassbar ist. Aus den Kraftmesswerten und Messwerten des Wegmesssystems können Steuerbefehle zur Prozessführung bei der Werkstückbearbeitung abgeleitet werden. Das soll im Folgenden anhand von Beispielen erläutert werden. Mit dem Anschnitt des Werkstückes, also der Berührung des Werkstückes durch das Werkzeug, nimmt die kraftgesteuerte Zustellgeschwindigkeit des Vorschubes rasch ab, wobei der zeitliche Verlauf der Kurve mit zunehmendem Abtrag der Werkstückfläche abflacht. Aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges können Kriterien zur optimalen Führung eines Finishbearbeitungsprozesses abgeleitet werden. So kann das zeitliche Profil des Zustellweges als Maß für die Oberflächengüte des Werkstückes herangezogen werden. Bei vorgegebener Andrückkraft zwischen Werkstück und Bearbeitungswerkzeug erreicht die kraftgesteuerte Zustellgeschwindigkeit mit zunehmender Oberflächengüte einen annähernd konstanten Wert. Durch Einstellung eines Kraftsollwertes im beschriebenen Einstellbereich zwischen 0,1 und 100 N kann der Abtrag und die daraus resultierende Zustellgeschwindigkeit verändert werden. Bei einer prozessbezogen optimalen Kraft wird im Allgemeinen eine höhere Oberflächengüte sehr konstant erreicht. Die Parametereinstellungen können so optimiert werden, dass die gewünschte Oberflächengüte bei minimaler Bearbeitungszeit erreicht wird.

[0017] Aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges kann ferner ein das Schneidverhalten kennzeichnender Signalwert abgeleitet werden, um ein Werkzeug zuzusetzen, einen etwaigen Werkzeugbruch oder Werkzeugverschleiß zu identifizieren. Ferner können aus dem zeitlichen Verlauf des Zustellweges Prozessinstabilitäten festgestellt werden.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Finishbearbeitung von Werkstücken, die eine Vorschubeinrichtung (1) mit einem Schlitten (2) und einem NC-gesteuerten Antrieb (3), eine Motorspindeleinheit (4) mit einer motorisch angetriebenen Werkzeugspindel (5) sowie eine Kraftmesseinrichtung (6) zum Messen der bei einer Werkstückbearbeitung auf die Werkstückspindel wirkenden Andrückkraft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorspindeleinheit (4) mit federnden Elementen, die das Gewicht der Motorspindeleinheit (4) aufnehmen und lediglich in Bearbeitungsrichtung beweglich sind, an dem Schlitten (2) gelagert ist und dass die Kraftmesseinrichtung (6) zwischen Anschlusselementen (8, 9) an der Motorspindeleinheit (4) und am Schlitten (2) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorspindeleinheit (4) auf Blattfedern (7) abgestützt ist, die quer zur Vorschubrichtung des Schlittens (2) ausgerichtet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (6) zwischen den federnden Elementen angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (6) an das in Achsrichtung rückseitige Ende der Motorspindeleinheit (4) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (6) ein Piezoelement als Kraftsensor (10) aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (6) einen zwischen zwei Kontaktelementen angeordneten Kraftsensor (10) aufweist, und dass die Kontaktelemente kugelförmige Kontaktflächen (14) aufweisen, die an ringförmigen oder schalenförmigen Lagerflächen der an der Motorspindeleinheit (4) und dem Schlitten (2) vorgesehenen Anschlusselementen (8, 9) abgestützt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente als Bolzen (13, 13') ausgebildet sind, wobei ein Bolzen (13) eine Gewindebohrung und der andere Bolzen (13') eine Längsbohrung aufweist, und dass die Bolzen (13, 13') durch eine Dehnungsschraube (15) mit definierter Vorspannung gegen den zwischen den Bolzen (13, 13') angeordneten Kraftsensor (10) verspannt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das schlittenseitige Anschlusselement (9) für die Kraftmesseinrichtung (6) an einem Träger (16) angeordnet ist, der in Führungsnuten (15) des Schlittens (2) verstellbeweglich befestigt ist.

Claims

1. An apparatus for the finish-machining of workpieces, which comprises a feeder device (1) having a slide (2) and an NC-controlled drive (3), a motor spindle unit (4) having a motor-driven tool spindle (5), and a force measuring device (6) for measuring the contact pressure force which acts on the workpiece spindle during a workpiece machining operation, characterised in that the motor spindle unit (4) is mounted on the slide (2) by spring-like elements which absorb the weight of the motor spindle unit (4) and which can only move in the direction of machining, and that the force measuring device (6) is disposed between attachment elements (8, 9) on the motor spindle unit (4) and on the slide (2).

2. An apparatus according to claim 1, characterised in that the motor spindle unit (4) is supported on leaf springs (7) which are aligned transversely to the direction of feed of the slide (2).

3. An apparatus according to claims 1 or 2, characterised in that the force measuring device (6) is disposed between the spring-like elements:

4. An apparatus according to claims 1 or 2, characterised in that the force measuring device (6) is attached to the rear end of the motor spindle unit (4) in the axial direction.

5. An apparatus according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the force measuring device (6) comprises a piezo element as a force sensor (10).

6. An apparatus according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the force measuring device (6) comprises a force sensor (10) which is disposed between two contact elements, and that the contact elements have spherical contact faces (14) which are supported on annular or saucer-like bearing faces of the attachment elements (8, 9) which are provided on the motor spindle unit (4) and on the slide (2).

7. An apparatus according to claim 6, characterised in that the contact elements are formed as pins (13, 13'), wherein one pin (13) has a tapped hole and the other pin (13') has a longitudinal hole, and that the pins (13, 13') are braced under a defined prestress, by an extension screw (15), against the force sensor (10) which is disposed between the pins (13, 13').

8. An apparatus according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the attachment element (9) on the slide for the force measuring device (6) is disposed on a support (16) which is fixed in guide slots (18) in the slide (2) so that it is adjustably moveable.

Revendications

1. Dispositif pour l'usinage de finition de pièces d'oeuvre, qui comporte un système d'avance (1) avec un chariot (2) et un système d'entraînement (3) à commande numérique, une unité à broche motorisée (4) avec une broche d'outil (5) entraînée par un moteur ainsi qu'un système de mesure (6) pour mesurer la force de pression agissant sur la broche d'outil pendant l'usinage d'une pièce, caractérisé en ce que l'unité à broche motorisée (4) est montée sur le chariot (2) avec des éléments élastiques qui absorbent le poids de l'unité à broche motorisée (4) et ne sont mobiles que dans la direction d'usinage, et en ce que le système de mesure de force (6) est disposé entre des éléments de raccordement (8, 9) à l'unité à broche motorisée (4) et au chariot (2).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité à broche motorisée (4) est soutenue sur des ressorts à lame (7) qui sont orientés transversalement à la direction d'avance du chariot (2).

3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de mesure de force (6) est disposé entre les éléments élastiques.

4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système de mesure de force (6) est raccordé à l'extrémité arrière dans la direction de l'axe de l'unité à broche motorisée (4).

5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le système de mesure de force (6) comporte un piézoélément en tant que capteur de force (10).

6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le système de mesure de force 6 comporte un capteur de force (10) disposé entre deux éléments de contact, et en ce que les éléments de contact présentent des surfaces de contact (14) de forme sphérique qui sont soutenues sur des surfaces de palier, en forme d'anneau ou en forme de coquille, des éléments de raccordement (8, 9) prévus sur l'unité à broche motorisée (4) et sur le chariot (2).

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les éléments de contact sont réalisés en tant que boulons (13, 13'), un boulon (13) présentant un trou taraudé et l'autre boulon (13') un perçage longitudinal, et en ce que les boulons (13, 13') sont serrées par une vis d'expansion (15) avec précontrainte définie contre le capteur de force (10) disposé entre les boulons (13, 13').

8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément de raccordement (9) côté chariot pour le système de mesure de force (6) est disposé sur un support (16) qui est fixé déplaçable dans des rainures de guidage (15) du chariot (2).

Zeichnung