DE10012647A1 - Einrichtverfahren für ein Bearbeitungswerkzeug bzw. Werkstück auf einer Verzahnungsmaschine - Google Patents

Abstract

Ermittlung der Start- und Endposition des Bearbeitungsprogramms einer Verzahnungsmaschine hinsichtlich der axialen Lage des Werkstücks (11, 18) mittels einer auf die Werkstückverzahnung projizierten zur Werkstückachse senkrechten Laserlichtlinie (14), deren Lage gegenüber dem Bezugspunkt des Werkzeugs (5, 17) bekannt ist. Durch zur Werkstückachse parallele Verschiebung zueinander werden die Lichtlinie (14) und eine oder beide Werkstückstirnseiten (16) zur Deckung gebracht. Die so erhaltenen Achspositionen werden der Maschinensteuerung übermittelt. Die Ermittlung der axialen Werkzeugposition erfolgt analog mittels der Projektion einer zur Werkzeugachse senkrechten Laserlichtlinie auf die Umfangsfläche des Werkzeugs (5, 17).

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln der relativen Lage eines Werkzeugs und eines zur Be­ arbeitung vorbereiteten Werkstücks auf einer Werkzeugmaschine.

In vielen Fällen ist bei der Bearbeitung von Werkstücken der ge­ naue Bearbeitungspunkt des Werkzeugs nicht sichtbar, weil das Werkzeug selbst die Bearbeitungsstelle verdeckt. Dies ist zum Beispiel beim kontinuierlichen Wälzschleifen von Verzahnungen ganz besonders bei Schrägverzahnungen der Fall. Auf Grund der besonderen Form des bei diesem Verfahren verwendeten Werkzeugs, der Schleifschnecke, und der Berührverhältnisse zwischen ihr und der zu bearbeitenden Verzahnung, bei denen sich die Arbeitsposi­ tionen erst durch mathematische Betrachtungen ergeben (Durch­ dringung), ist es nicht möglich, den genauen Bearbeitungspunkt, d. h. den Eingriffspunkt am Werkstück, optisch zu erfassen. Darum kann die Lage von Werkzeug und Werkstück zueinander, die zur Festlegung der Start- und Endposition des Bearbeitungsprozesses benötigt wird, beim Einrichten der Maschine auf direktem visuel­ len Weg nicht ermittelt werden.

Beim Einrichten der Maschine zum Bearbeiten eines solchen Werk­ stücks ist dessen genaue axiale Lage gegenüber der Werkstück­ spindel nach dem Aufspannen gewöhnlich nicht bekannt, weil sie von sehr vielen Einzelmassen am Mitnehmer, Spanndorn, an Di­ stanzbüchsen sowie am Werkstück selbst abhängt. Darum scheidet auch die Möglichkeit aus, die axiale Lage der zu bearbeitenden Verzahnung relativ zum Bearbeitungspunkt der Schleifschnecke mittels der Position der Werkstückspindel rechnerisch durch die numerische Maschinensteuerung ermitteln zu lassen, obwohl deren genaue Position bezüglich der Maschinenkoordinaten ebenso be­ kannt ist wie die des Werkzeugbearbeitungspunkts bzw. des Werk­ zeugbezugspunkts. Insbesondere beim Arbeiten mit konischem Schleifdorn ist die axiale Werkstückposition bei jedem Spannen unterschiedlich, da sie von den Bohrungstoleranzen bzw. -aufma­ ssen abhängig ist.

In der Praxis hilft man sich deshalb in diesem Fall gewöhnlich mit mechanischen Einrichtungen wie Messzeigern oder dergleichen, die in irgend einer Weise die Höhe des Werkzeugbezugspunktes re­ präsentieren, um damit visuell die axiale Lage des Werkstücks bzw. dessen Verzahnung zu bestimmen. Diese Methode ist neben der beschränkten erreichbaren Genauigkeit deshalb nachteilig, weil für unterschiedlich grosse Werkstücke oft auch unterschiedliche Messzeiger erforderlich sind. Auch müssen die Messzeiger nach dem Ermitteln der genauen Axiallage des Werkstücks wieder aus dem Arbeitsraum entfernt werden.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die relative axiale Lage der zu bearbeitenden Werkstückverzahnung gegenüber der Werk­ stückspindel oder dem Maschinenkoordinatensystem mittels Mass­ stab zu messen und das ermittelte Mass anschliessend mit der Istposition des Werkzeugbezugspunktes zu verrechnen. Aber auch diese Methode erfordert wie die erwähnten Messzeiger eine Refe­ renzfläche im Maschinenraum, die einerseits schwer zu realisie­ ren ist und andererseits ein ungeliebtes Hantieren im meist öli­ gen Innenraum bedeutet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ein­ richtung und ein Verfahren zur Ermittlung der axialen Lage der Werkstückverzahnung auf der Maschine im eingespannten Zustand des Werkstücks ohne manuellen Eingriff in den Maschinenraum anzugeben, welche ohne Anpassungen gleichermassen geeignet sind für alle in Frage kommenden Werkstückdurchmesser. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination der Ansprüche gelöst.

Mittels eines Laserlinienprojektors, der im Arbeitsraum der Ma­ schine so angeordnet ist, dass die von ihm erzeugte Strahlenebe­ ne senkrecht zur Werkstückachse liegt und den Werkzeugbezugs­ punkt enthält oder einen bekannten Abstand von ihm besitzt, wird auf die Umfangsfläche des zu vermessenden Werkstücks eine Licht­ linie projiziert. Wird diese Strahlenebene gegenüber dem Werk­ stück in Achsrichtung des Werkstücks bewegt, so verschiebt sich auch die projizierte Lichtlinie über der Verzahnungsbreite. Wur­ de in Bezug auf das Werkstück als Startposition des Bearbei­ tungsprogramms beispielsweise die obere Stirnseite der Werk­ stückverzahnung definiert, so ist die Startposition erreicht, sobald die Laserlichtlinie mit der oberen Stirnseite der Verzah­ nung zur Deckung kommt. Ist der Laserlinienprojektor so angeord­ net, dass die Laserstrahlenebene den Werkzeugbezugspunkt der Schleifschnecke nicht enthält, so muss der Abstand zwischen ihm und der Laserstrahlenebene nach Erreichen der Deckungsposition durch zusätzliche axiale Werkstückverschiebung entsprechend die­ ses Abstands kompensiert werden.

Nachfolgend wird die erfindungsgemässe Lösung an zwei Ausfüh­ rungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer mit der erfindungs­ gemässen Vorrichtung versehenen Maschine zum kontinu­ ierlichen Wälzschleifen von Zahnrädern,

Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 1 mit schema­ tischer Darstellung der Strahlenebene des Laserlinien­ projektors

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Maschine zum konti­ nuierlichen Wälzschleifen von Zahnrädern mit einer an­ deren Achsanordnung als in Fig. 1 und

Fig. 4 Die Lage der Laserstrahlenebenen bei der Positionser­ mittlung von Werkstück und Werkzeug.

Die Zahnflankenschleifmaschine in Fig. 1 umfasst ein Maschinen­ bett 1, auf dem der Shiftschlitten 2 und der Schleifschlitten 3 verschiebbar angeordnet sind. Im Schleifschlitten 3 ist die Schleifspindel 4 mit der Schleifschnecke 5 um eine horizontale Achse 33 drehbar gelagert. Ebenfalls um eine horizontale Achse schwenkbar ist im Shiftschlitten 2 das Drehteil 6 gelagert, wel­ ches den in Richtung der Werkstückachse 31 verschiebbaren Hub­ schlitten 7 trägt. Zwischen der im Hubschlitten 7 drehbar gela­ gerten Werkstückspindel 8 und dem Reitstock 9 befindet sich der Werkstückspanndorn 10, auf dem das Werkstück 11 gespannt ist. Der Laserlinienprojektor 12 mit dem auf das Werkstück 11 gerich­ teten Laserstrahl ist über den Halter 13 fest mit dem Drehteil 6 verbunden. Er ist so ausgerichtet, dass die von ihm gebildete Strahlenebene senkrecht zur Werkstückachse 31 liegt und zugleich den Werkzeugbezugspunkt 34 der Schleifschnecke 5 enthält oder von diesem einen Abstand besitzt, der als sogenannte Maschinen­ konstante bekannt ist. Der Werkzeugbezugspunkt 34 ist der Schnittpunkt der Werkzeugachse 33 mit der Achsabstandslinie 35, welche die Werkzeugachse 33 und die Werkstückachse 31 senkrecht schneidet.

In Fig. 1 sind die Motoren 43, 44 und die Drehgeber 45, 46, mit welchen die Schleifspindel 4 beziehungsweise die Werkstückspin­ del 8 verbunden sind, angedeutet, ebenso die Vorschubmotoren 47, 48 und entsprechenden Positionsgeber 49, 50 der Schlitten 2, 7. Alle Motoren 43, 44, 47, 48, Drehgeber 45, 46 und Positionsgeber 49, 50 sind mit einer MC-Steuereinheit 51 verbunden, ebenso der nicht dargestellte Vorschubmotor und zugehörige Positionsgeber des Schlittens 3.

In Fig. 2 ist die Laserlichtlinie 14 zu sehen, welche der vom Laserlinienprojektor 12 erzeugte schematisch dargestellte Strah­ lenfächer 15 auf dem Umfang des Werkstücks 11 entstehen lässt. Um die Startposition des Bearbeitungsprogramms zu ermitteln, wird der Werkstückschlitten 7 beim Einrichten manuell so weit verfahren, bis die Lichtlinie 14 die als Bezugposition definier­ te untere oder obere Stirnfläche 16 des Werkstücks 11 trifft. Diese Position wird zum Beispiel im Teaching-Verfahren auf Ta­ stendruck des Einrichters von der Steuereinheit 51 übernommen.

Bei Maschinenkonzepten, bei welchen sich wie in Fig. 3 das Werkzeug 17 relativ zum axial feststehenden Werkstück 18 bewegt, wird der Laserlinienprojektor vorteilhafterweise am Hubschlitten 23 befestigt (hier nicht dargestellt), und zwar derart, dass die erzeugte Laserstrahlenebene wiederum den Bezugspunkt des Werk­ zeugs 17 enthält. Auch in diesem Fall ist nach Übereinstimmen der projizierten Lichtlinie mit der Verzahnungsstirnseite direkt die Startposition für die Bearbeitung mit dem Werkzeug 17 gege­ ben.

Eine weitere Möglichkeit ist die Anordnung des Laserlinienpro­ jektors 12 auf einem separaten, über die NC-Steuerung parallel zur Werkstückachse verschiebbaren Schlitten 21, wie dies in Fig. 3 zu sehen ist. Kann dieser Schlitten unabhängig von allen anderen Maschinenbewegungen verstellt werden, so ist ein Vermes­ sen der Axiallage des Werkstücks 18 auch dann möglich, wenn auf der Maschine gleichzeitig andere Operationen ablaufen wie zum Beispiel das Profilieren der Schleifschnecke, bei welchem alle übrigen Maschinenbewegungen gebraucht werden. Eine solche zu­ sätzliche verschiebbare Schlitteneinheit 21 kann also durch das zeitparallele Arbeiten zu einer wesentlichen Zeiteinsparung und damit besseren Nutzung der ganzen Maschine führen.

In gleicher Weise wie zur Ermittlung der axialen Lage des Werk­ stücks kann die Erfindung auch zur Ermittlung der axialen Lage des Werkzeugs eingesetzt werden, indem von einem Laserlinienpro­ jektor mit einer Strahlenebene senkrecht zur Werkzeugachse eine Laserlichtlinie auf die Umfangsfläche des Werkzeugs projiziert wird und durch relative axiale Verschiebung die so erzeugte La­ serlichtlinie mit einem frei definierbaren markanten Bezugspunkt des Werkzeugs zur Deckung gebracht wird, von welchem aus durch mathematische Berechnungen die reale Start- und Endposition des Werkzeugs bestimmt wird.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung die geometrische Lage der Strahlenebene des Laserlinienprojektors für beide Anwen­ dungsfälle der Erfindung. Darin bezeichnen Pfeil 36 die Werk­ stückaxialverschiebung, Pfeil 37 die Werkzeugaxialverschiebung und Pfeil 38 den Achsabstand zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Achsabstandslinie 35 läuft sowohl durch den Werkzeugbezugs­ punkt 34 als auch durch den Werkszückbezugspunkt 39, in welchem sie sich rechtwinklig mit der Werkstückachse 31 schneidet. Die Ermittlung der axialen Position des Werkstücks erfolgt durch Re­ lativverschiebung der zur Werkstückachse senkrechten Strahlene­ bene 30 in Richtung der Werkstückachse 31, die Ermittlung der axialen Position des Werkzeugs durch Relativverschiebung der zur Werkzeugachse senkrechten Strahlenebene 32 in Richtung der Werk­ zeugachse 33.

Kennzeichnend für die beiden Strahlenebenen 30, 32 ist, dass sie senkrecht zur Werkstückachse 31 bzw. Werkzeugachse 33 liegen und nach erfolgter Verschiebung in den Werkstückbezugspunkt 34 bzw. Werkzeugbezugspunkt die Spur 35 des kürzesten Achsabstands der beiden windschief zueinander liegenden Achsen enthalten.

So wie bei dem hier als Beispiel gewählten kontinuierlichen Wälzschleifen von Zahnrädern ist die Erfindung auch bei ähnli­ chen Zahnradbearbeitungsverfahren wie beispielsweise dem Tei­ lungswälz- und -profilschleifen, Wälzfräsen, Schaben, Feinen, Verzahnungshonen usw. anwendbar.

Claims (8)

1. Verfahren zum Positionieren eines Werkstücks relativ zu einem Werkzeug zur Ermittlung der Start- und Endposition eines Bear­ beitungsprozesses auf einer Maschine zum Schleifen, Wälzfräsen, Schaben, Honen und dergleichen von Zahnrädern mittels zahnrad- oder schnekkenförmiger Werkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Strahlenebene (15) eines Laserlinienprojektors (12) auf die Werkstückverzahnung eine zur Werkstückachse senkrecht liegende Laserlichtlinie (14) projiziert und diese durch relati­ ve axiale Verschiebung mit einer oder beiden Stirnseiten (16) des Werkstücks zur Deckung gebracht wird und dass die so erhal­ tenen Positionen von einer Steuereinheit 51 übernommen werden, wobei die relative axiale Verschiebung der Laserlichtlinie (14) auf der Werkstückverzahnung mittels axialer Verschiebung des Werkstücks (11) oder der Strahlenebene (15) des Laserlinienpro­ jektors (12) erfolgt.

2. Verfahren zum Positionieren eines Werkzeugs relativ zu einem Werkstück zur Ermittlung der Start- und Endposition eines Bear­ beitungsprozesses auf einer Maschine zum Schleifen, Wälzfräsen, Schaben, Honen und dergleichen von Zahnrädern mittels zahnrad- oder schnekkenförmiger Werkzeuge, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Strahlenebene (32) eines Laserlinienprojektors (12) auf die Umfangsfläche des Werkzeugs (5) eine zur Werkzeugachse (33) senkrecht liegende Laserlichtlinie projiziert und diese durch relative axiale Verschiebung mit einem frei definierbaren markanten Punkt des Werkzeugs (5) zur Deckung gebracht wird, von dem aus mit mathematischen Berechnungen die reale axiale Start- und Endposition des Werkzeugs bestimmt wird, und dass die so er­ haltene Position von einer Steuereinheit (51) übernommen wird, wobei die relative axiale Verschiebung der Laserlichtlinie auf der Umfangsfläche des Werkzeugs (5) mittels Verschiebung des Werkzeugs (5) oder der Strahlenebene (32) des Laserlinienprojek­ tors in Achsrichtung (33) des Werkzeugs erfolgt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend ein Maschinenbett (1, 22), eine um eine Werkzeugachse (33) drehbar gelagerte Werkzeugspindel (4), die mit einem ersten Motor (43) und einem ersten Drehgeber (45) verbunden ist, eine um eine Werkstückachse (31) drehbar gelagerte Werkstückspindel (8, 26), die mit einem zweiten Motor (44) und einem zweiten Drehgeber (46) verbunden ist, einen ersten Schlitten (2, 19) zum Verschieben der Werkzeugspindel (4) relativ zur Werkstückspindel (8, 26) parallel zur Werkzeugachse (33), einen zweiten Schlitten (7, 23) zum Verschieben der Werkstückspindel (8, 26) relativ zur Werkzeugspindel (4) parallel zur Werkstückachse (31), wobei bei­ de Schlitten durch je ein Huborgan (47, 48) betätigbar sind und der Schlittenhub durch je einen Positionsgeber (49, 50) gemessen wird, und ein Drehteil (6, 20) zum Schwenken der Werkstückachse (31) relativ zur Werkzeugachse (33) um eine zu beiden senkrech­ ten Achse, wobei alle Motoren, Huborgane, Positions- und Drehge­ ber mit einer MC-Steuereinheit (51) verbunden sind, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zusätzlich ein Laserlinienprojektor (12) vor­ handen ist, dessen Strahlenebene (30) die Werkstückachse (31) senkrecht schneidet, und der relativ zur Werkstückspindel (8) parallel zur Werkstückachse (31) verschiebbar ist, wobei der Verschiebeweg durch einen mit der Steuereinheit (51) verbundenen Positionsgeber (50) gemessen wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Laserlinienprojektor (12) auf dem Drehteil (6) montiert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Werkstückspindel (26) auf dem Maschinenbett (22) drehbar gelagert und die Werk­ zeugspindel (4) mit dem ersten und zweiten Schlitten (19, 23) gegenüber dem Maschinenbett (22) verschiebbar ist und wobei der Laserlinienprojektor (12) auf dem zweiten Schlitten (23) befe­ stigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Laserlinienprojektor (12) auf einem dritten Schlitten (21) montiert ist, der parallel zur Werkstückachse (31) unabhängig von den übrigen Bewegungsach­ sen der Vorrichtung verschiebbar geführt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-6, wobei die Strahle­ nebene (30) des Laserlinienprojektors (12) einen Werkzeugbezugs­ punkt (34) schneidet oder von ihm einen vorbestimmten Abstand hat.

6. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 3 zur Durch­ führung des Verfahrens nach Anspruchs 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Laserlinienprojektor (12) vorhanden ist, dessen Strahlenebene (32) die Werkzeugachse (33) senkrecht schneidet und der relativ zur Werkzeugspindel (4) parallel zur Werkzeugachse (33) verschiebbar ist, wobei der Verschiebeweg durch einen mit der Steuereinheit (51) verbundenen Positionsge­ ber gemessen wird.