EP2852472A2 - Verfahren zum schleifen von werkstücken, insbesondere zum zentrierenden schleifen von werkstücken wie optischen linsen - Google Patents

Verfahren zum schleifen von werkstücken, insbesondere zum zentrierenden schleifen von werkstücken wie optischen linsen

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EP2852472A2
EP2852472A2 EP13723403.5A EP13723403A EP2852472A2 EP 2852472 A2 EP2852472 A2 EP 2852472A2 EP 13723403 A EP13723403 A EP 13723403A EP 2852472 A2 EP2852472 A2 EP 2852472A2
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EP
European Patent Office
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movement
current
actuator
feed
grinding
Prior art date
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Joachim Diehl
Steffen Moos
Achim Schmidt
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Satisloh AG
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Publication date
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Definitions

  • the present invention generally relates to a method for grinding workpieces by means of a grinding tool using an actuator for generating a relative feed movement between the grinding tool and the workpiece, wherein the actuator integrates with a current regulator for an actuator current determining actuator force in a position control loop is, which is traversed with a predetermined control cycle.
  • the invention relates to a method for centering grinding of workpieces from the fields of fine optics (optical lenses), watch industry (watch glasses) and semiconductor industry (wafers), where workpieces are centered by means of centering initially tensioned and to be subsequently sanded on the edge.
  • PRIOR ART Lenses for objectives or the like are "centered" after the processing of the optical surfaces, so that the optical axis, whose position is characterized by a straight line passing through the two centers of curvature of the optical surfaces, also passes through the geometric center of the lens.
  • the lens is initially aligned and tensioned between two aligned centering spindles such that the two centers of curvature of the lens coincide with the common axis of rotation of the centering spindles.
  • the edge of the lens is processed in a defined relationship to the optical axis of the lens, as will be seen later for the Installation of the lens in a socket is necessary.
  • the edge is by machining a defined geometry both in the plan view of the lens - peripheral contour of the lens
  • the invention is based on the object of providing a method for
  • the feed movement between the grinding tool and the workpiece should be such that on the one hand during grinding neither an overload of the grinding tool still a "burning" or a shape defect on the workpiece occurs / arises, on the other hand, the feed movement and Materialzerspanung be performed as quickly and efficiently.
  • the actual feed rate is ultimately determined by the removal rate of the tool, which can change in the process by, for example, blunting or clogging of the abrasive coating or a change in the coolant and lubricant properties.
  • the setpoint and actual positions of the actuator are evaluated from the current control cycle and from the preceding control cycle, which can be tapped without problems on the position control loop.
  • a comparison signal is generated ⁇ riert, which generates a current reduction signal via a PI or PID transfer element, wherein in step (iii) then a signal for the predetermined current limit is reduced by the respective current reduction signal as the current limiting signal is applied to the current regulator.
  • Fig. 1 is a front view of a centering machine only schematically shown for optical lenses in particular, in which the grinding method according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic representation of a centering
  • FIG. 3 shows a simplified block diagram of a position control circuit for a feed drive of the centering machine according to FIG. 1, with superordinate current control or limiting for carrying out the inventive grinding method;
  • Fig. 4 is a schematic representation of a centering
  • Fig. 5 is a diagram are plotted against time t in the way of example for a zentrie ⁇ leaders grinding process with the novel procedure the feed quantity x (top) and the permitted due to the limitation of the actuator current lag error (below).
  • Fig. 1 is a CNC-controlled centering machine 10 for
  • Patent Application DE 10 2012 XXX XXX. are taken X of the present application ⁇ rin, is incorporated herein by reference genome ⁇ men.
  • Zentrierspindelwellen 16, 18 can be seen in Fig. 1 to the left, two with respect to a centering ⁇ axis C arranged in alignment centering spindles 12, 14, whose Zentrierspindelwellen 16, 18 independently in Drehwin ⁇ angle position controlled rotationally driven are (workpiece rotation axes Cl, C2).
  • a synchronous operation of Zentrierspindelwellen 16, 18 is effected in a conventional manner CNC technically.
  • the Zentrierspindelwellen 16, 18 each for receiving a clamping bell 20, 22 obtained from the German standard DIN 58736-3.
  • the optical lens L for firmly gripped the grinding of its edge.
  • a tool spindle 24 On the tool side (at least) a tool spindle 24 is provided with a rotary drive for a tool spindle shaft 26, on which a grinding wheel G is held as a grinding tool.
  • the grinding wheel G is thus rotatably driven according to the arrow in Fig. 1 in the rotational speed driven (tool rotation axis A) to provide with its peripheral surface U for a material removal on the workpiece L.
  • the tool spindle 24 is further mounted on an X-carriage 28, the CNC position-controlled in Fig. 1 to the right or left linearly movable (linear axis X, feed movement).
  • the X-carriage 28 is guided over guide carriages, not shown here, on two parallel running guide rails 30, 32 (not shown) on a machine bed.
  • a linear motor 34 serves as an actuator, of which in Fig. 1, the machine-fixed stator 36 can be seen with its magnet.
  • the rotor (coils) of the linear motor 34 is mounted under the X-carriage 28 and not visible in Fig. 1.
  • a linear displacement measuring system 38 is arranged, by means of which the axial position (x ⁇ s t) of the X-carriage 28 can be detected in a known per se.
  • FIG. 2 illustrates a centering grinding process in general form.
  • a feed movement V of the grinding wheel G rotating about the tool rotation axis A is effected via the linear motor 34.
  • the X-axis is to be adjusted in such a way that the axis (C) rotatably driven about the centering axis C (workpiece axis of rotation C) optical lens L, which may have an arbitrary outer contour AK ⁇ (in the example shown octagonal), on a by an NC Program defined final contour EK is centered.
  • AK ⁇ in the example shown octagonal
  • the feed axis X is additionally coordinated at itself be ⁇ known manner with the workpiece rotation axis Cl, (see Fig. 1) for which the latter with a high resolution angle measurement system WM provided is , It can be seen that the grinding wheel G can not be continuously moved in a feed direction, ie in FIG. 2 only to the left in a non-circular machining of workpieces L, but rather - at least at the end of processing - in dependence on the rotation angle of the workpiece L about the centering axis C has to be moved along the feed axis X before and ⁇ back to the non-circular end contour EK to generate ⁇ Center.
  • FIG. 3 shows the position control circuit 40 for the linear motor 34 (feed drive) with the aid of a simplified block diagram.
  • the position control loop 40 comprises in a manner known per se - cf.
  • FIG. 3 a position controller 44, a speed controller 46, a current regulator 48 and the actuator driven therefrom (the linear motor 34 in the present case) and in the frame
  • the position feedback is a summation point 50 for the desired position x so ii and the actual position-
  • the linear position measuring system 38 which provides the actual position x is , is shown in Fig. 3 as little as the NC-Steue - tion, which specifies the desired position x S0 n. Also under ⁇ stored speed and current feedbacks are not shown, which may be provided as part of a cascade control.
  • the position control circuit 40 as usual through with a particular prior ⁇ control cycle, for example, with a cycle time or sampling rate of 2 ms.
  • the NC control for the feed axis X can be used as input variables for the current limitation 42.
  • the desired position x so ii the actual position x detected by the linear position measuring system 38, is the feed axis X and also a maximum setpoint feed force Fvsoiimaxr predetermined by the NC control, from which a predetermined current limit I S oiimax is generated and which will be explained later in more detail.
  • the desired positions x S oii (n), Xsoii (ni) of the linear motor 34 are derived from the current control cycle (n) and from the preceding control cycle (n-1) evaluated a Signumfunktion ("Sgn").
  • the abbreviation "d / dt” (time derivative) stands for the following relation: d / dt - (Xsoll (n) "Xsoll (nI)) / (t (n)" t ( n- i))
  • the detected actual positions x are (n); -Xist (ni) of the linear motor 34 from the current control cycle (s) and from the previous control cycle (n-1) evaluated by means of a Signumfunktion.
  • the thus determined direction values (1, 0 or -1) for the desired direction of movement Rsoii and the actual direction of movement Ri St of the feed movement V are then respectively switched to a proportionally acting transmission element (P element) 56 and 58, respectively outputs respective signal with an adjustable gain. This gain can be varied to weight the influence of each signal.
  • the thus amplified signals for the desired direction of movement Rsoii and the actual direction of movement R is the feed movement V are then switched to a summation point 60, the ver ⁇ means of a difference (setpoint minus actual value) a Comparison of the determined actual movement direction Ri St of the feed movement ⁇ V with the determined target movement direction R so ii of the feed movement V causes. Parts in this case the target and detected actual movement directions R so and R ii is the feed movement V match -
  • the grinding wheel G is to be with respect to the centering axis C to move forward tends and moves did ⁇ neuter also forward, or (b) the grinding wheel G intended to refer to the centering axis C to move back tends based and moves, in fact, also back, the output of the summation point 60 is zero.
  • the possible deviation cases in the above-described comparison in the summation point 60 include in particular the states:
  • a comparison signal is generated, which via a proportional integrating acting transfer element (PI element) 62 generates a current reduction signal I re d (n).
  • PI element proportional integrating acting transfer element
  • a fast PID element with, for example, a differential or derivative time T v of zero or almost zero can be used here, which acts similarly to a PI controller.
  • the current reduction signal I re d (n) is applied as subtrahend a white ⁇ direct summation point 64th
  • the minuenden at the summation point 64 forms the predetermined current limit, ie a signal for a maximum target current I so iimax / which results from a further proportional acting transfer member (P member) 66 from the above-mentioned maximum target feed force Fvsoiimax, which is specified by the NC control.
  • P member proportional acting transfer member
  • the summation point 64 finally outputs a current limiting signal I ma x (n) (maximum nominal current I S oiimax minus the respective current reduction I re d (n)), which is applied to the current regulator 48.
  • I ma x (n) maximum nominal current I S oiimax minus the respective current reduction I re d (n)
  • the output from the current controller 48 to the linear ⁇ motor 34 actuator current I which determines the feed force F v of the linear motor 34, dynamically limited to the current I ma x (n), ie despite possibly higher current setting I so ii (n ) in the management ⁇ loop 40 outputs the current controller 48 from only the limited current I m ax (n) to the linear motor 34th In the above movement direction deviations cases (d) and (e), this leads to a reduction of the feed force F V (n) of the linear motor 34 (illustrated with differently long force arrows for the forward displacement).
  • the predetermined current limit that is, the maximum target current I so IImax not reduced because the summation point 60 outputs zero and consequently the current reduction signal I re d (n) is zero.
  • the current reduction signal I re d (n) increases correspondingly via the PI element 62; after the summation point 64, the permitted current I m ax (n) accordingly becomes smaller and smaller from one control cycle to another.
  • the control behavior of the PI member 62 - such as fast, "hard” or “soft” - can be influenced here by the parameters for the proportional component (gain K P ) and the integral component (reset time T N ) and also with regard to the material being processed be optimized.
  • the actual values for the controller parameterization are to be optimized individually for the respective centering machine 10 and the respective grinding process, so that a quantification should not take place here. If, in the comparison of the actual and desired directions of movement at the summation point 60, there is no longer any deviation, the actuator current I is again supplied via the current regulator 48 up to the preset value. th current limit I so iimax increased, whereby the feed force F v of the linear motor 34 grows again accordingly.
  • FIG. 5 shows, in a diagram by way of example, a zoning grinding process with the above-mentioned - optionally switched on or off - Aktuatorstrom- or force limit on the linear motor 34 plotted over the time t above the feed path x (solid or dashed line) X-carriage 28, thus the tool spindle 24 with the grinding wheel G and below the resulting due to the limitation of the actuator current I drag error (dot-dash line).
  • the X-carriage 28 starts moving at a preselected feed rate, which does not have to be coupled to the removal capability of the tool and is preferably selected to be as high as possible from the grinding removal with a view to the fastest possible and efficient material cutting.
  • the grinding wheel G encounters the workpiece L. While the actual position x is the set position x so ii to the point b substantially error-free follows, "fall" actual position x is
  • the amount of the preselected feed rate basically does not matter because the desired actuator current I so ii output by the speed controller 46 may be limited anyway in the current controller 48 during processing (Imax).
  • Imax desired actuator current
  • the speed controller 46 may be limited anyway in the current controller 48 during processing (Imax).
  • different preselected feedforward speeds be worked, for example, with a fast rapid traverse for fast approach of tool G and workpiece L and a contrast slower operation during machining.
  • the switching point between rapid traverse and operation can be easily and safely found by continuous evaluation of the following error of the feed axis X. Be (edge detection) because at the moment of contact between the tool G and workpiece L of the following error of the feed axis X by the lack of power reserve or limited feed force F v of the linear motor 34 increases rapidly and sharply (see in Fig. 5 after the point b rapidly building
  • a method for centering grinding workpieces such as optical lenses by means of a grinding tool using an actuator for generating a relative feed movement between the grinding tool and the workpiece, the actuator having a current controller for an actuator current determining a feed force of the actuator in a position control loop is integrated, which is traversed with a predetermined control cycle.
  • a tool rotation axis (speed-controlled)

Landscapes

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  • Ceramic Engineering (AREA)
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  • Constituent Portions Of Griding Lathes, Driving, Sensing And Control (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren insbesondere zum zentrierenden Schleifen von Werkstücken wie optischen Linsen mittels eines Schleifwerkzeugs unter Verwendung eines Aktuators (34) zur Erzeugung einer relativen Vorschubbewegung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück offenbart, wobei der Aktuator mit einem Stromregler (48) für einen eine Vorschubkraft des Aktuators bestimmenden Aktuatorstrom in einem Lageregelkreis (40) integriert ist, welcher mit einem vorbestimmten Regelzyklus durchlaufen wird. Bei dem Verfahren werden für jeden Regelzyklus: (i) eine Soll-Bewegungsrichtung (Rsoll(n)) der Vorschubbewegung sowie eine Ist-Bewegungsrichtung (Rist(n)) der Vorschubbewegung ermittelt; sodann werden (ii) die ermittelten Ist- und Soll-Bewegungsrichtungen miteinander verglichen; und schließlich wird, (iii) wenn der Vergleich eine Abweichung zwischen den Ist- und Soll-Bewegungsrichtungen ergibt, eine vorbestimmte Stromgrenze (ISollmax) für den über den Stromregler abgegebenen Aktuatorstrom definiert reduziert, um die Vorschubkraft des Aktuators zu verringern. Im Ergebnis werden die Vorschubbewegung und Materialzerspanung schnell und effizient durchgeführt, ohne dass es zu einer Überbeanspruchung von Werkzeug oder Werkstück kommen kann.

Description

VERFAHREN ZUM SCHLEIFEN VON WERKSTÜCKEN, INSBESONDERE ZUM ZENTRIERENDEN SCHLEIFEN VON WERKSTÜCKEN WIE OPTISCHEN LINSEN
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Schleifen von Werkstücken mittels eines Schleifwerkzeugs unter Verwendung eines Aktuators zur Erzeugung einer relativen Vorschubbewegung zwischen Schleifwerkzeug und Werk- stück, wobei der Aktuator mit einem Stromregler für einen eine Vorschubkraft des Aktuators bestimmenden Aktuatorstrom in einem Lageregelkreis integriert ist, welcher mit einem vorbestimmten Regelzyklus durchlaufen wird. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum zentrierenden Schleifen von Werkstücken aus den Anwendungsgebieten Feinoptik (optische Linsen) , Uhrenindustrie (Uhrengläser) und Halbleiterindustrie (Wafer) , wo Werkstücke mittels Zentriermaschinen zunächst zentriert zu spannen und in der Folge am Rand zu schleifen sind.
STAND DER TECHNIK Linsen für Objektive od.dgl. werden nach der Bearbeitung der optischen Flächen "zentriert", damit die optische Achse, deren Lage durch eine Gerade gekennzeichnet ist, welche durch die beiden Krümmungsmittelpunkte der optischen Flächen hindurch verläuft, auch durch die geometrische Mitte der Linse geht. Die Linse wird zu diesem Zweck zunächst zwischen zwei fluchtenden Zentrierspindeln derart ausgerichtet und gespannt, dass die beiden Krümmungsmittelpunkte der Linse mit der gemeinsamen Rotationsachse der Zentrierspindeln zusammenfallen. In der Folge wird der Rand der Linse in einer definierten Beziehung zur optischen Achse der Linse bearbeitet, wie es später für den Einbau der Linse in einer Fassung notwendig ist. Dabei wird dem Rand durch spanende Bearbeitung eine definierte Geometrie sowohl in der Draufsicht auf die Linse - Umfangskontur der Linse
- als auch im Radialschnitt gesehen - Kontur des Rands, etwa geradlinige Ausbildung oder Ausbildung mit Stufe (n) /Facette (n)
- gegeben. Dies erfolgt namentlich im Falle von Glaslinsen durch einen Schleifprozess . Wenn im Zusammenhang mit der vor¬ liegenden Erfindung allgemein von "Schleifen" die Rede ist, soll dies allerdings auch "Feinschleifen" und "Polieren" mit umfassen, wo gleichermaßen mit geometrisch unbestimmten Schneiden gearbeitet wird.
Was die beim Zentrieren verwendeten Mechanismen zur Erzeugung der relativen Vorschubbewegung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück angeht, wurden bei den älteren kurvengesteuerten . Zentriermaschinen "LZ 80" der LOH Optikmaschinen AG, Wetzlar, Deutschland (Rechtsvorgängerin der Satisloh GmbH) , die zwei Schleifspindein für den drehenden Antrieb der Schleifwerkzeuge (Schleifscheiben) mittels einstellbarer Gewichte über einen Seilzug zugestellt. Die maximale Zustellbewegung der Schleifspindeln selbst wurde hierbei über langsam rotierende Kurvenscheiben gesteuert, auf denen eine mit der jeweiligen Schleif¬ spindel gekoppelte Abtastrolle als Festanschlag ablief. Wenn¬ gleich diese sehr einfache mechanische Lösung Vorteile in Bezug auf die mögliche Prozessgeschwindigkeit hatte, weil sich der Vorschub weitgehend abhängig von der Leistungsfähigkeit der Schleifscheiben und dem geschliffenen Substratmaterial selbst einstellte, bestand ein gravierender Nachteil darin, dass für jede Werkstückgeometrie eine eigene Kurvenscheibe vorzusehen war.
Auch sind Lösungen bekannt (siehe z.B. die Druckschrift EP-A-1 693 151, die allerdings keine Zentriermaschine betrifft), bei denen die Schleifkraft über die Vorspannung von Federn einge- stellt wird, welche auf die SchleifSpindel wirken. Die Verwen- dung von Federn bei der Einstellung der Schleifkraft hat jedoch Nachteile, wenn es gilt, unrunde, insbesondere eckige Geometrien an rotierenden Werkstücken zu schleifen. An den Ecken ist das Werkstück nämlich "bestrebt", die Schleifscheibe entgegen der Vorschubrichtung wegzudrücken, wobei sich die Vorspannung der auf die Schleifspindel wirkenden Feder erhöht. Dies wiederum bewirkt eine unerwünschte Erhöhung der Schleifkraft, was dazu führen kann, dass im Bereich der auf die Schleifscheibe drückenden Ecke des Werkstücks eine Mulde, also ein Formfehler entsteht.
Bei modernen CNC-gesteuerten Zentriermaschinen, die über eine entsprechende Bahnführung von Werkzeug und/oder Werkstück die Schleifbearbeitung beliebiger Werkstückformen ermöglichen, wird üblicherweise eine Zwangs-Vorschubregelung vorgesehen. Wenn hierbei die Vorschubgeschwindigkeit jedoch zu schnell gewählt wird, kann es zu einer Überlastung des Schleifwerkzeugs und unter Umständen auch zum "Brennen" des Werkstücks im Berührpunkt zwischen Werkzeug und Werkstück kommen, was insbesondere bei der Verwendung von Mineralöl als Kühlschmierstoff zu Verpuffungen und erheblichen Folgeschäden (nicht nur) an der Zentriermaschine führen kann. Abhilfe können hier freilich programmierte Sicherheitsabstände schaffen, z.B. derart, dass die Vorschubgeschwindigkeit bis zu einem vorbestimmten Abstand zwi- sehen Werkzeug und Werkstück hoch eingestellt wird und bei Erreichen dieses Abstands auf eine niedrigere Vorschubgeschwindigkeit umgeschaltet wird. Solche Sicherheitsmechanismen bedingen jedoch zwangsläufig längere Bearbeitungszeiten. Schließlich sind auch sogenannte "Adaptive-Control"-Lösungen bekannt (siehe etwa die Druckschrift US-A-2006/0073765) , bei denen die Stromaufnahme der Schleifspindel und/oder des Rotationsantriebs für das Werkstück oder aber Signale von eigens vorgesehenen Kraftaufnehmern als Eingangsgröße für eine Vor- Schubbegrenzung genutzt werden. Ein Nachteil einer von der Stromaufnahme der Schleifspindel abhängigen Vorschubregelung ist, dass Letztere aufgrund der beim Schleifen erforderlichen hohen Schnittgeschwindigkeiten infolge der Massenträgheit von Schleifspindel und -Werkzeug träge ist und daher nur verzögert, ggf- zu spät reagiert. Die Verwendung einer Kraftsensorik hingegen hat insbesondere den Nachteil, dass diese stets zwischen Werkzeug und Maschine, oder Werkstück und Maschine angeordnet werden muss, was funktionsbedingt zu einer gewissen Nachgiebig¬ keit der Maschine führt, die einer hohen Werkstückgüte und -ge- nauigkeit abträglich sein kann.
AUFGABENSTELLUNG Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
Schleifen von Werkstücken, namentlich zum zentrierenden Schleifen von Werkstücken wie optischen Linsen bereitzustellen, das die oben zum Stand der Technik angesprochenen Probleme adressiert. Insbesondere soll hierbei die Vorschubbewegung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück derart erfolgen, dass einerseits während der Schleifbearbeitung weder eine Überlastung des Schleifwerkzeugs noch ein "Brennen" oder ein Formfehler am Werkstück auftritt/entsteht, andererseits die Vorschubbewegung und Materialzerspanung dennoch möglichst schnell und effizient durchgeführt werden.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte oder zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.
Erfindungsgemäß werden bei einem Verfahren zum Schleifen von Werkstücken, insbesondere zum zentrierenden Schleifen von
Werkstücken wie optischen Linsen, mittels eines Schleifwerk- zeugs unter Verwendung eines Aktuators zur Erzeugung einer relativen Vorschubbewegung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück, der mit einem Stromregler für einen eine Vorschubkraft des Aktuators bestimmenden Aktuatorstrom in einem Lageregel- kreis integriert ist, welcher mit einem vorbestimmten Regelzyklus durchlaufen wird, für jeden Regelzyklus zunächst (i) eine Soll-Bewegungsrichtung der Vorschubbewegung sowie eine Ist-Bewegungsrichtung der Vorschubbewegung ermittelt; sodann (ii) wird die ermittelte Ist-Bewegungsrichtung der Vorschub- bewegung mit der ermittelten Soll-Bewegungsrichtung der Vorschubbewegung verglichen; und schließlich (iii) wird, wenn der Vergleich eine Abweichung zwischen der Ist-Bewegungsrichtung der Vorschubbewegung und der Soll-Bewegungsrichtung der Vorschubbewegung ergibt, eine vorbestimmte Stromgrenze für den über den Stromregler abgegebene Aktuatorstrom definiert reduziert, um die Vorschubkraft des Aktuators zu verringern.
Durch dieses Verfahren, bei dem dem Vorschubmotor (Aktuator) eine variable Vorschubkraft über den Motorstrom vorgegeben, an- hand der Soll- und Ist-Richtungen der Vorschubbewegung auf die aktuellen Kraftverhältnisse geschlossen und daraus resultierend die Vorschubkraft prozessabhängig über den Motorstrom beein- flusst wird, wird insbesondere die Abtragsleistung beim Schleifen, speziell bei dem Abzentrieren von unrunden Werkstücken optimiert. Es ergeben sich verglichen zum Stand der Technik deutliche Verkürzungen der Prozesszeiten, ein Wegfall von
Sicherheitsabständen, eine einfache Anschnitterkennung sowie eine sichere Verhinderung von Überlastungszuständen von Werkstück und Werkzeug durch zu hohe Vorschubgeschwindigkeiten oder durch Kollisionen. Die tatsächliche Vorschubgeschwindigkeit wird hier letztendlich bestimmt über die Abtragsleistung des Werkzeugs, welche sich im Prozessablauf verändern kann durch z.B. Abstumpfen oder Zusetzen des Schleifbelags oder eine Veränderung der Kühl- und Schmiermitteleigenschaften. Durch die Auswertung der Soll- und Ist-Richtungen der Vorschubbewegung und die Nutzung der Kraft/Strom-Abhängigkeit des Vorschubmotors sind schließlich externe Kraftaufnehmer od.dgl. entbehrlich; der Werkstückgüte und -genauigkeit ggf. abträgliche Nachgiebig¬ keiten werden somit vermieden.
Vorzugsweise werden für die Ermittlung bzw. Bestimmung der Bewegungsrichtungen der Vorschubbewegung im obigen Schritt (i) die Soll- und Ist-Positionen des Aktuators aus dem aktuellen Regelzyklus und aus dem vorhergehenden Regelzyklus ausgewertet, die am Lageregelkreis problemlos abgegriffen werden können.
Im Hinblick auf eine gute Einflussnahmemöglichkeit auf das Verhalten der Stromänderung ist es ferner bevorzugt, wenn bei dem Vergleich der ermittelten Ist-Bewegungsrichtung der Vorschub- bewegung mit der ermittelten Soll-Bewegungsrichtung der Vorschubbewegung im obigen Schritt (ii) ein Vergleichssignal gene¬ riert wird, welches über ein PI- oder PID-Übertragungsglied ein Stromreduktionssignal erzeugt, wobei im Schritt (iii) sodann ein Signal für die vorbestimmte Stromgrenze um das jeweilige Stromreduktionssignal verringert als Strombegrenzungssignal dem Stromregler aufgeschaltet wird.
Um das Schleifverfahren für die Bearbeitung unrunder Geometrien, die mehr oder weniger "eckig" sein können, zu optimieren, werden vorzugsweise in Abhängigkeit von der Form des zu schleifenden Werkstücks verschiedene Parametersätze für den Proportionalanteil (Verstärkung KP) und den Integralanteil (Nachstellzeit TN) des PI- oder PID-Übertragungsglieds eingesetzt. Wenngleich für das erfindungsgemäße Schleifverfahren beliebige Aktuatoren als Vorschubantrieb eingesetzt werden können, solange diese eine definierte Kraft/Strom-Abhängigkeit aufweisen, ist es schließlich insbesondere im Hinblick auf eine hohe Feinfühligkeit der Regelung, ein schnelles Reaktionsverhalten, Leichtgängigkeit und Selbsthemmungsf eiheit, etc. bevorzugt, wenn als Aktuator zur Erzeugung der relativen Vorschubbewegung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück ein Linearmotor verwendet wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten, ver- einfachten Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer lediglich schematisch dargestellten Zentriermaschine für insbesondere optische Linsen, bei der das erfindungsgemäße Schleifverfahren
Anwendung finden kann;
Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung zu einem zentrierenden
Schleifprozess , wobei im oberen Teil der Figur der Beginn der eigentlichen Schleifbearbeitung und im unteren Teil der Figur das Ende der eigentlichen Schleifbearbeitung gezeigt ist;
Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Lageregel- kreises für einen Vorschubantrieb der Zentriermaschine gemäß Fig. 1, mit übergeordneter Stromsteuerung bzw. -begrenzung für die Durchführung des erfindungsgemäßen SchleifVerfahrens ; Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung zu einem zentrierenden
Schleifprozess mit erfindungsgemäßer Verfahrensweise, der an einem Werkstück mit unrunder Außenkontur durchgeführt wird, zur Veranschaulichung der Änderung des entgegen der Vorschubkraft wirkenden Prozess- kraftanteils infolge des sich drehwinkelabhängig ändernden Abstands des Eingriffspunkts zwischen
Schleifwerkzeug und Werkstück zur Werkstück-Drehachse und der sodann entsprechend reduzierten Vorschub¬ kraft; und
Fig. 5 ein Diagramm, in dem exemplarisch für einen zentrie¬ renden Schleifprozess mit erfindungsgemäßer Verfahrensweise der Vorschubweg x (oben) und der infolge der Begrenzung des Aktuatorstroms zugelassene Schleppfehler (unten) über der Zeit t aufgetragen sind.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
In Fig. 1 ist eine CNC-geregelte Zentriermaschine 10 zum
Schleifen von Werkstücken, insbesondere optischen Linsen L lediglich schematisch und nur insoweit dargestellt, als es für das Verständnis der vorliegenden Erfindung notwendig erscheint. Weitere Details zum Aufbau und zur Funktion der Zentriermaschine 10 können der zeitgleich eingereichten deutschen
Patentanmeldung DE 10 2012 XXX XXX. X der vorliegenden Anmelde¬ rin entnommen werden, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genom¬ men wird.
In Fig. 1 links zu erkennen sind zwei bezüglich einer Zentrier¬ achse C fluchtend angeordnete Zentrierspindeln 12, 14, deren Zentrierspindelwellen 16, 18 unabhängig voneinander im Drehwin¬ kel lagegeregelt drehend antreibbar sind (Werkstück-Drehachsen Cl, C2) . Ein Synchronlauf der Zentrierspindelwellen 16, 18 wird hierbei in an sich bekannter Weise CNC-technisch bewirkt. An den einander zugewandten Enden sind die Zentrierspindelwellen 16, 18 jeweils zur Aufnahme einer Spannglocke 20, 22 ausgebil¬ det, wie sie aus der deutschen Norm DIN 58736-3 bekannt ist. Zwischen den Spannglocken 20, 22 ist die optische Linse L für die Schleifbearbeitung ihres Rands fest eingespannt. Die hierfür erforderlichen Hub- und Spanneinrichtungen, die eine definierte Bewegung bzw. Kraftaufbringung an einer der Zentrier¬ spindeln 12, 14 entlang der Zentrierachse C ermöglichen, sind in Fig. 1 nicht gezeigt. In einer Richtung senkrecht zur Zentrierachse C sind die Zentrierspindeln 12, 14 fest, d.h. nicht beweglich .
Werkzeugseitig ist (wenigstens) eine Werkzeugspindel 24 mit einem Drehantrieb für eine Werkzeugspindelwelle 26 vorgesehen, an der eine Schleifscheibe G als Schleifwerkzeug gehalten ist. Die Schleifscheibe G ist somit entsprechend dem Pfeil in Fig. 1 in der Drehzahl gesteuert drehend antreibbar (Werkzeug-Drehachse A) , um mit ihrer Umfangsflache U für einen Materialabtrag am Werkstück L zu sorgen.
Die Werkzeugspindel 24 ist ferner auf einem X-Schlitten 28 montiert, der CNC-lagegeregelt in Fig. 1 nach rechts bzw. links linear bewegbar ist (Linearachse X; Vorschubbewegung) . Dafür ist der X-Schlitten 28 über hier nicht gezeigte Führungswagen an zwei parallel verlaufenden, auf einem Maschinenbett (nicht dargestellt) angebrachten Führungsschienen 30, 32 geführt. Für den Antrieb des X-Schlittens 28 dient ein Linearmotor 34 als Aktuator, von dem in Fig. 1 der maschinenbettfeste Stator 36 mit seinen Magneten zu erkennen ist. Der Läufer (Spulen) des Linearmotors 34 ist unter dem X-Schlitten 28 montiert und in Fig. 1 nicht zu sehen. In Fig. 1 oberhalb des X-Schlittens 28 ist ein lineares Wegmesssystem 38 angeordnet, mittels dessen die axiale Lage (x±st) des X-Schlittens 28 auf an sich bekannte Weise erfasst werden kann.
In Fig. 1 oberhalb des linearen Wegmesssystems 38 bzw. der Zentrierspindel 14 sind schließlich noch angedeutet rechts die in Richtung auf die Zentrierachse C wirkende Vorschubkraft Fv, die mittels des Linearmotors 34 am X-Schlitten 28 aufgebracht werden kann und deren Größe proportional zu dem am Läufer des Linearmotors 34 angelegten Strom I ist, und links der entlang der x-Richtung der Vorschubkraft Fv entgegenwirkende Prozesskraftanteil FP, der abhängig ist von der Drehzahl und -richtung des Werkstücks L, der Drehzahl und -richtung der Schleifscheibe G (Gleichlauf/Gegenlauf ) , dem Material und der Geometrie des Werkstücks L, dem Material, der Geometrie und dem Verschleißzustand der Schleifscheibe G, der Kühlung und Schmierung (Reibung) an der Eingriffsstelle zwischen Werkstück und Schleif- Scheibe G, etc.
Die Fig. 2 veranschaulicht einen zentrierenden Schleifprozess in allgemeiner Form: Über den Linearmotor 34 wird entsprechend dem Pfeil eine Vorschubbewegung V der um die Werkzeug-Drehachse A rotierenden Schleifscheibe G bewirkt. Hierbei ist die X-Achse derart lagezuregeln, dass die um die Zentrierachse C drehend angetriebene (Werkstück-Drehachse Cl) optische Linse L, die an¬ fangs eine beliebige Außenkontur AK aufweisen kann (im dargestellten Beispiel achteckig) , auf eine durch ein NC-Programm definierte Endkontur EK abzentriert wird. Bei einer unrunden Endkontur EK, wie der hier gezeigten leicht elliptischen Endkontur EK, wird die Vorschubachse X zusätzlich auf an sich be¬ kannte Weise mit der Werkstück-Drehachse Cl koordiniert, wofür Letztere mit einem hochauflösenden Winkelmesssystem WM (siehe Fig. 1) versehen ist. Es ist ersichtlich, dass die Schleifscheibe G bei einer Unrundbearbeitung von Werkstücken L nicht kontinuierlich in einer Vorschubrichtung, d.h. in Fig. 2 nur nach links bewegt werden kann, vielmehr - zumindest am Ende der Bearbeitung - in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Werkstücks L um die Zentrierachse C entlang der Vorschubachse X vor und zu¬ rück bewegt werden muss, um die unrunde Endkontur EK zu gene¬ rieren .
Die Fig. 3 zeigt mit Hilfe eines vereinfachten Blockschaltbilds den Lageregelkreis 40 für den Linearmotor 34 (Vorschubantrieb) der Zentriermaschine 10 gemäß Fig. 1, dem eine besondere
Stromsteuer- bzw. -begrenzungsschaltung, kurz Strombegrenzung 42, für den Aktuatorstrom I zur Durchführung des erfindungsgemäßen Schleif erfahrens zugeordnet ist. Der Lageregelkreis 40 umfasst in an sich bekannter Weise - vgl. beispielsweise das Fachbuch "Werkzeugmaschinen Band 3, Automatisierung und Steuerungstechnik" von Prof. Dr.-Ing. Manfred Weck, 3. Auflage 1989, VDI-Verlag, Düsseldorf, S. 195, Bild 8-3 - einen Lageregler 44, einen Geschwindigkeitsregler 46, einen Stromregler 48 und den hiervon angesteuerten Aktuator (der Linearmotor 34 im vorliegenden Fall) sowie im Rahmen der Lagerückführung eine Summa- tionsstelle 50 für die Soll-Position xsoii und die Ist-Position ist- Das lineare Wegmesssystem 38, das die Ist-Position xist liefert, ist in Fig. 3 ebenso wenig gezeigt, wie die NC-Steue- rung, welche die Soll-Position xS0n vorgibt. Auch sind unter¬ lagerte Geschwindigkeits- und Stromrückführungen nicht dargestellt, die im Rahmen einer Kaskadenregelung vorgesehen sein können. Der Lageregelkreis 40 wird wie üblich mit einem vor¬ bestimmten Regelzyklus durchlaufen, z.B. mit einer Zykluszeit bzw. Abtastrate von 2 ms.
Zu erwähnen ist an dieser Stelle schließlich noch, dass Isoii im Lageregelkreis 40 gemäß Fig. 3 die Soll-Stromvorgabe für den Stromregler 48 bezeichnet, die - ggf. nach Stromrückführung - im Lageregelkreis 40 in dem Bestreben vorgegeben wird, den
Linearmotor 34 so anzusteuern, dass der Lageistwert (Ist-Posi¬ tion Xist) als Regelkreisausgang dem Lagesollwert (Soll-Position Xsoii) als Regelkreiseingang möglichst fehlerfrei folgt. Der über den Stromregler 48 abgegebene Aktuatorstrom I wird jedoch definiert begrenzt, und zwar unter Inkaufnahme auch größerer Schleppfehler, zu welchem Zweck die Strombegrenzung 42 vorge¬ sehen ist, die nachfolgend beschrieben werden soll.
Als Eingangsgrößen für die Strombegrenzung 42 dienen ersicht- lieh die von der NC-Steuerung für die Vorschubachse X vorgege- bene Soll-Position xsoii, die vom linearen Wegmesssystem 38 er- fasste Ist-Position xist der Vorschubachse X und eine ebenfalls von der NC-Steuerung vorgegebene maximale Soll-Vorschubkraft Fvsoiimaxr aus der sich eine vorbestimmte Stromgrenze ISoiimax er- gibt und die später noch näher erläutert werden wird.
In dem in Fig. 3 .linken oberen Funktionsglied 52 werden die Soll-Positionen xSoii(n) , Xsoii(n-i) des Linearmotors 34 aus dem aktuellen Regelzyklus (n) und aus dem vorhergehenden Regel- zyklus (n-1) mittels einer Signumfunktion ( "Sgn" ) ausgewertet. Das Kürzel "d/dt" (zeitliche Ableitung) steht hierbei für folgende Beziehung: d/dt - (Xsoll(n) " Xsoll(n-I)) / (t(n) " t(n-i))
Da die Abtastrate konstant ist kann dies mit (t(„) - t(n-i)) = konst.
vereinfacht werden zu: d/dt - (Xsoll(n) - Xsoll(n-I))
Das Ergebnis der gebildeten Signumfunktion ist die Soll-Bewegungsrichtung Rsoii(n) der Vorschubbewegung V im aktuellen Re gelzyklus (n) . Die folgenden drei Fälle sind hierbei möglich (xSoii(n) - Xsoii(n-i)) > 0 -> Sgn (d/dt) = Rson(n) = +1
(Xsoii(n) - Xsoii(n-i)) = 0 -> Sgn (d/dt) = Rson(n) = 0
(Xsoii(n) - soii(n-i)) < 0 -> Sgn (d/dt) = RSoii(n) = -1
In analoger Weise werden in dem in Fig. 3 rechten oberen Funk- tionsglied 54 die erfassten Ist-Positionen xist(n); -Xist(n-i) des Linearmotors 34 aus dem aktuellen Regelzyklus (n) und aus dem vorhergehenden Regelzyklus (n-1) mittels einer Signumfunktion ausgewertet. Hierbei gilt: d/dt - (Xist(n) - Xist(n-1)) / (t(n) " t(n-i))
Mit (t(n) - t(n-1)) = konst. vereinfacht sich dieser Ausdruck wiederum zu: d/dt = (Xist(n) - Xist(n-1))
Demnach sind die folgenden drei Fälle für die Ist-Bewegungsrichtung Rist(n) der Vorschubbewegung im aktuellen Regelzyklus (n) möglich:
(1.) (Xist(n) - Xist(n-1)) > 0 -> Sgn (d/dt) = Rist(n) = +1
(2. ) (Xist(n) - ist(n-i)) = 0 -> Sgn (d/dt) = Rist(n) = 0
( 3. ) (Xist(n) - Xist(n-i)) < 0 -> Sgn (d/dt) = Rist(n) = -1 Mit anderen Worten gesagt findet im ersten Fall (1.) bezogen auf die Zentrierachse C tendenziell eine Vorwärtsbewegung der Schleifscheibe G statt, in dem zweiten Fall (2.) ändert sich der Abstand der Schleifscheibe G zur Zentrierachse C nicht, d.h. die Schleifscheibe G steht (keine Bewegung) und in dem dritten Fall (3.) liegt bezogen auf die Zentrierachse C tendenziell eine Rückwärtsbewegung der Schleifscheibe G vor.
Die so bestimmten Richtungswerte (1, 0 bzw. -1) für die Soll- Bewegungsrichtung Rsoii und die Ist-Bewegungsrichtung RiSt der Vorschubbewegung V werden sodann jeweils auf ein proportional wirkendes Übertragungsglied (P-Glied) 56 bzw. 58 geschaltet, welches das jeweilige Signal mit einer einstellbaren Verstärkung ausgibt. Diese Verstärkung kann variiert werden, um den Einfluss des jeweiligen Signals zu gewichten.
Die derart verstärkten Signale für die Soll-Bewegungsrichtung Rsoii und die Ist-Bewegungsrichtung Rist der Vorschubbewegung V werden danach auf eine Summationsstelle 60 geschaltet, die ver¬ mittels einer Differenzbildung (Soll-Wert minus Ist-Wert) einen Vergleich der ermittelten Ist-Bewegungsrichtung RiSt der Vor¬ schubbewegung V mit der ermittelten Soll-Bewegungsrichtung Rsoii der Vorschubbewegung V bewirkt. Stimmen hierbei die ermittelten Soll- und Ist-Bewegungsrichtungen Rsoii bzw. Rist der Vorschubbe- wegung V überein -
(a) soll(n) = +1 = Rist(n) oder (b) Rsoll(n) = -1 = Rist(n)
- d.h. (a) die Schleifscheibe G soll sich bezüglich der Zen- trierachse C tendenziell vorwärtsbewegen und bewegt sich tat¬ sächlich auch vorwärts, oder (b) die Schleifscheibe G soll sich bezogen auf die Zentrierachse C tendenziell zurückbewegen und bewegt sich in der Tat auch zurück, so ist der Ausgang der Sum- mationsstelle 60 gleich Null. Gleiches gilt für den Grenzfall der gewollt stehenden Vorschubachse X -
( C ) Rsoll(n) = 0 = Rist(n)
- d.h. wenn (c) keine Vorschubbewegung V der Schleifscheibe G erfolgen soll und auch nicht vorliegt. Der Schleifprozess läuft bei diesen Fällen wie gewünscht; die Schleifscheibe G ist scharf .
Die möglichen Abweichungsfälle bei dem vorbeschriebenen Ver- gleich in der Summationsstelle 60 umfassen insbesondere die Zustände :
(d) RSoii(n) = +1 * Rist(n) = 0 und (e) RS0||(n) = +1 + Rist(n) = -1 Im erstgenannten Abweichungsfall (d) soll sich die Schleifscheibe G in Richtung auf die Zentrierachse C bewegen (Vorschubbewegung V in Fig. 2), tut dies aber nicht (Blockieren der Vorschubachse X) . Demnach ist zu diesem Zeitpunkt der der Vorschubkraft Fv entgegenwirkende Prozesskraftanteil FP wenigstens gleich der Vorschubkraft Fv (vgl. Fig. 1), wodurch die Schleif- Scheibe G an ihrer weiteren Vorschubbewegung V gehindert wird. Ursächlich hierfür kann z.B. eine abgestumpfte/verschlissene Schleifscheibe G oder eine unzureichende Kühlschmierstoff-Zufuhr sein.
Der zweitgenannte Abweichungsfall (e) kann sich bei der
Schleifbearbeitung einer Unrundgeometrie am Werkstück L ergeben, wenn der Prozesskraftanteil FP die Vorschubkraft Fv übersteigt, nachdem es bedingt durch den sich winkelabhängig ändernden Eingriffspunkt zu Betrags- und Wirkrichtungsänderun- gen der Schleifkraft kommt, wobei das Werkstück L die Schleifscheibe G infolge der unrunden Außenkontur AK des Werkstücks L entgegen der Vorschubrichtung wegdrückt. Dies ist in Fig. 4 veranschaulicht: Das drehende Werkstück L schiebt mit seinem sich über den Umfang ändernden Radius zur Zentrierachse C bzw. seinen in radialer Richtung "vorstehenden" Konturabschnitten die Schleifscheibe G um einen Betrag Δχ entgegen der Vorschubrichtung in Fig. 4 nach rechts. In den beschriebenen Abweichungsfällen besteht die Gefahr einer Überbeanspruchung/Überlastung von Werkstück L und/oder Werkzeug G, was zu einem "Brennen" an der Eingriffsstelle führen kann, bei der Unrundbearbeitung zudem die Gefahr eines "Eingrabens" der Schleifscheibe G in das Werkstück L und somit von Formfeh- lern am Werkstück L. Um in diesen Fällen ein Ausweichen der Vorschubachse X zu erleichtern und auch das damit verbundene Losbrechmoment der Linearführungen 30, 32 zu eliminieren, wird die Kraftgrenze der Vorschubachse X über den Aktuatorstrom I dynamisch reduziert.
Genauer gesagt wird bei dem Vergleich der ermittelten Ist-Bewegungsrichtung Rist(n) der Vorschubbewegung V mit der ermittelten Soll-Bewegungsrichtung Rsoii(n) der Vorschubbewegung V in der Summationsstelle 60 ein Vergleichssignal generiert, welches über ein proportional-integrierend wirkendes Übertragungsglied (PI-Glied) 62 ein Stromreduktionssignal Ired(n) erzeugt. Alter¬ nativ kann hier auch ein schnelles PID-Glied mit z.B. einer Differential- oder Vorhaltezeit Tv von Null oder nahezu Null zum Einsatz kommen, der ähnlich wie ein PI-Regler wirkt.
Das Stromreduktionssignal Ired(n) wird als Subtrahend einer wei¬ teren Summationsstelle 64 aufgeschaltet . Den Minuenden an der Summationsstelle 64 bildet die vorbestimmte Stromgrenze, d.h. ein Signal für einen maximalen Soll-Strom Isoiimax/ das sich über ein weiteres proportional wirkendes Übertragungsglied (P-Glied) 66 aus der oben bereits erwähnten maximalen Soll-Vorschubkraft Fvsoiimax ergibt, die von der NC-Steuerung vorgegeben wird. Bei dieser Vorgabe für die maximale Soll-Vorschubkraft c Vsollmax
(z.B. 100 N) findet zum einen Berücksichtigung, welche Vor- Schubkraft für den tatsächlichen Schleifprozess gewünscht ist, was vom Bediener eingegeben werden kann; zum anderen werden Kraftschwankungen der Zustellachse X durch den Einfluss von Rastmomenten des Linearmotors 34 sowie Kraftverluste durch Reibung in den Linearführungen 30, 32 und an den Arbeitsraum- abdeckungen (nicht gezeigt) berücksichtigt, die einmalig exem¬ plarisch ermittelt werden und als additiver Wert in die Soll- Vorschubkraft Fvsoiimax einfließen.
Die Summationsstelle 64 gibt schließlich ein Strombegrenzungs- signal Imax(n) (maximaler Soll-Strom ISoiimax minus der jeweiligen Stromreduktion Ired(n)) aus, das dem Stromregler 48 aufgeschaltet wird. Im Ergebnis wird der vom Stromregler 48 an den Linear¬ motor 34 abgegebene Aktuatorstrom I, der die Vorschubkraft Fv des Linearmotors 34 bestimmt, dynamisch auf den Strom Imax(n) begrenzt, d.h. trotz ggf. höherer Stromvorgabe Isoii(n) im Lage¬ regelkreis 40 gibt der Stromregler 48 lediglich den begrenzten Strom Imax(n) an den Linearmotor 34 ab. Dies führt in den obigen Bewegungsrichtungs-Abweichungsfällen (d) und (e) zu einer Verringerung der Vorschubkraft FV(n) des Linearmotors 34 (illus- triert mit unterschiedlich langen Kraftpfeilen für die Vor- Schubkraft Fv in Fig. 4 oben und unten rechts) . In den obigen Fällen (a) bis (c) hingegen, in denen noch keine Abweichung der Ist- und Soll-Bewegungsrichtungen der Vorschubbewegung V vorliegt, wird die vorbestimmte Stromgrenze, d.h. der maximale Soll-Strom Isoiimax nicht reduziert, weil die Summationsstelle 60 Null ausgibt und folglich auch das Stromreduktionssignal Ired(n) Null beträgt.
Liegt eine Bewegungsrichtungs-Abweichung gemäß den Fällen (d) und (e) über mehrere Regelzyklen n vor, so erhöht sich über das PI-Glied 62 das Stromreduktionssignal Ired(n) entsprechend; nach der Summationsstelle 64 wird der zugelassene Strom Imax(n) demgemäß von Regelzyklus zu Regelzyklus immer kleiner. Das Regelverhalten des PI-Glieds 62 - wie schnell, "hart" oder "weich" - kann hierbei bekanntlich über die Parameter für den Proportionalanteil (Verstärkung KP) und den Integralanteil (Nachstellzeit TN) beeinflusst und auch im Hinblick auf das bearbeitete Material optimiert werden. Vorteilhaft werden in Abhängigkeit von der Rundheit bzw. der Eckigkeit der zu schleifenden Werk- stückgeometrie von Schleifprozess zu Schleifprozess verschie¬ dene Parametersätze für die Verstärkung KP und die Nachstellzeit TN verwendet, dann aber für den jeweiligen Schleifprozess durchgängig. So werden für eine eckige, z.B. quadratische
Außenkontur AK die Verstärkung KP durchaus hoch, die Nachstell- zeit TN aber eher klein, für eine runde bzw. eckenlose, beispielsweise elliptische Außenkontur AK die Verstärkung KP eher niedriger, die Nachstellzeit TN indes tendenziell höher vorge¬ wählt. Die tatsächlichen Werte für die Regler-Parametrierung sind für die jeweilige Zentriermaschine 10 und den jeweiligen Schleifprozess individuell zu optimieren, so dass eine Quantifizierung hier nicht erfolgen soll. Ergibt sich schließlich bei dem Vergleich der Ist- und Soll-Bewegungsrichtungen an der Summationsstelle 60 keine Abweichung mehr, wird der Aktuatorstrom I über den Stromregler 48 wieder bis maximal zur voreingestell- ten Stromgrenze Isoiimax erhöht, wodurch die Vorschubkraft Fv des Linearmotors 34 wieder entsprechend wächst.
Die Fig. 5 zeigt in einem Diagramm beispielhaft für einen zent- rierenden Schleifprozess mit der vorbeschriebenen - wahlweise zu- oder abschaltbaren - Aktuatorstrom- bzw. Kraftbegrenzung am Linearmotor 34 aufgetragen über der Zeit t oben den Vorschubweg x (durchgezogene bzw. gestrichelte Linie) des X-Schlittens 28, mithin der Werkzeugspindel 24 mit der Schleifscheibe G und dar- unter den sich infolge der Begrenzung des Aktuatorstroms I aufbauenden Schleppfehler (strichpunktierte Linie) . Im Punkt a läuft der X-Schlitten 28 mit einer vorgewählten Vorschubgeschwindigkeit los, die nicht an die Abtragsfähigkeit des Werkzeugs gekoppelt sein muss und im Hinblick auf eine möglichst schnelle und effiziente Materialzerspanung vorzugsweise höher gewählt wird als vom Schleifabtrag her möglich ist. Im Punkt b trifft die Schleifscheibe G auf das Werkstück L auf. Während die Ist-Position xist der Soll-Position xsoii bis zum Punkt b im Wesentlichen fehlerfrei folgt, "fallen" Ist-Position xist
(durchgezogene Linie) und Soll-Position xson (gestrichelte Linie) danach "auseinander"; ein Schleppfehler (strichpunktierte Linie unten) entsteht. Im Punkt b ist dabei eine kurz¬ fristige Blockade der Vorschubbewegung V zu erwarten (im Graph nicht zu erkennen) , die wie oben beschrieben über die Strombe- grenzung 42 eine Reduktion der Vorschubkraft Fv induziert, so dass eine Überbeanspruchung von Werkstück L bzw. Werkzeug G nicht erfolgt. In der Folge ist der Lageregelkreis 40 "bestrebt", den Schleppfehler zu kompensieren, wird bei der Be- stromung des Linearmotors 34 trotz entsprechender Stromvorgabe Isoii am Stromregler 48 jedoch durch die Strombegrenzung 42
( Imax ) limitiert. Erst ab dem Punkt c, wenn der Endwert der Soll-Position xsoii erreicht ist, baut sich der Schleppfehler ab bis auch die Ist-Position xist ihren Endwert im Punkt d erreicht. Mit anderen Worten gesagt ergeben sich zwischen den Punkten b und d die Ist-Positionen xist der Schleifscheibe G und die Geschwindigkeit der Vorschubbewegung V (Steigung des
Graphen) lediglich als Folge der über die Strombegrenzung 42 zugelassenen Vorschubkraft Fv. Letztere wird zwischen den Punkten b und d infolge der Strombegrenzung 42 so groß sein, dass sich keine längere Abweichung zwischen der Ist-Bewegungsrichtung RiSt und der Soll-Bewegungsrichtung Rsoii der Vorschubbewegung V ergibt, wird im Rahmen des Zulässigen also stets maximal groß sein. Der beschriebene Kraftschleifprozess kann beendet werden, wenn bei d ein einstellbarer Grenzwert für den Schleppfehler (z.B. 0,01 mm) während einer vollständigen Umdrehung des Werkstücks L unterschritten wird.
Während (u.a.) am Punkt b in Fig. 5 der weiter oben beschriebene Abweichungsfall (d) zu erwarten steht (Blockieren der Vor- schubachse X) , veranschaulicht das in x- wie t-Richtung stark vergrößerte Detail Dv in Fig. 5 die Situation im oben unter Bezugnahme auf die Fig. 4 erläuterten Abweichungsfall (e) , wenn das drehende Werkstück L die Schleifscheibe G entgegen der Vorschubrichtung um einen Betrag Δχ wegschiebt. Dabei entspricht der Punkt e im Detail Dv dem Zustand in Fig. 4 oben, während der Punkt f im Detail Dv den Zustand in Fig. 4 unten repräsentiert. Demgemäß kommt es zu sich sägezahnartig wiederholenden Erhöhungen des Schleppfehlers (nicht wiederholend dargestellt) . Bei aktivierter Strombegrenzung 42 ist der Betrag der vorgewählten Vorschubgeschwindigkeit im Grunde egal, denn der vom Geschwindigkeitsregler 46 ausgegebene Soll-Aktuatorstrom Isoii wird im Stromregler 48 bei der Bearbeitung ggf. ohnehin limitiert (Imax) · So kann auch mit verschiedenen vorgewählten Vor- Schubgeschwindigkeiten gearbeitet werden, z.B. mit einem schnellen Eilgang zur schnellen Annäherung von Werkzeug G und Werkstück L und einem demgegenüber langsameren Arbeitsgang während der Zerspanung. Der Umschaltpunkt zwischen Eilgang und Arbeitsgang kann dabei durch kontinuierliche Auswertung des Schleppfehlers der Vorschubachse X einfach und sicher gefunden werden (Anschnitterkennung) , weil im Moment der Berührung zwischen Werkzeug G und Werkstück L der Schleppfehler der Vorschubachse X durch die fehlende Kraftreserve bzw. begrenzte Vorschubkraft Fv des Linearmotors 34 schnell und stark ansteigt (vgl. in Fig. 5 den sich nach dem Punkt b rasch aufbauenden
Schleppfehler) . Ein im Stand der Technik üblicher Sicherheits¬ abstand zum Werkstück L, der einen erheblichen Zeitverlust durch "Luftschleifen im Arbeitsgang" mit sich bringt, ist nicht notwendig, da es durch die Kraftreduzierung am Linearmotor 34 zu keiner kritischen Überlastung oder Zerstörung des Werkzeugs G und/oder Werkstücks L kommen kann.
Es wird ein Verfahren insbesondere zum zentrierenden Schleifen von Werkstücken wie optischen Linsen mittels eines Schleifwerk- zeugs unter Verwendung eines Aktuators zur Erzeugung einer relativen Vorschubbewegung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück offenbart, wobei der Aktuator mit einem Stromregler für einen eine Vorschubkraft des Aktuators bestimmenden Aktuatorstrom in einem Lageregelkreis integriert ist, welcher mit einem vorbe- stimmten Regelzyklus durchlaufen wird. Bei dem Verfahren werden für jeden Regelzyklus: (i) eine Soll-Bewegungsrichtung der Vorschubbewegung sowie eine Ist-Bewegungsrichtung der Vorschubbewegung ermittelt; sodann werden (ii) die ermittelten Ist- und Soll-Bewegungsrichtungen miteinander verglichen; und schließ- lieh wird, (iii) wenn der Vergleich eine Abweichung zwischen den Ist- und Soll-Bewegungsrichtungen ergibt, eine vorbestimmte Stromgrenze für den über den Stromregler abgegebenen Aktuatorstrom definiert reduziert, um die Vorschubkraft des Aktuators zu verringern. Im Ergebnis werden die Vorschubbewegung und Materialzerspanung schnell und effizient durchgeführt, ohne dass es zu einer Überbeanspruchung von Werkzeug oder Werkstück kommen kann. BEZUGSZEICHENLISTE
10 Zentriermaschine
12 untere Zentrierspindel
14 obere Zentrierspindel
16 untere Zentrierspindelwelle
18 obere Zentrierspindelwelle
20 untere Spannglocke
22 obere Spannglocke
24 Werkzeugspindel
26 Werkzeugspindelwelle
28 X-Schlitten
30 Führungsschiene
32 Führungsschiene
34. Linearmotor
36 Stator
38 lineares Wegmesssystem
40 Lageregelkreis
42 Strombegrenzung
44 Lageregler
46 Geschwindigkeitsregler
48 Stromregler
50 Summationsstelle
52 Funktionsglied
54 Funktionsglied
56 P-Glied
58 P-Glied
60 Summationsstelle
62 PI-Glied
64 Summationsstelle
66 P-Glied
A Werkzeug-Drehachse (drehzahlgesteuert)
AK Außenkontur
Cl, C2 Werkstück-Drehachse (winkellagegeregelt ) C Zentrierachse
EK Endkontur
FP Prozesskraftanteil in x-Richtung
Fv Vorschubkraft
G Schleifwerkzeug / Schleifscheibe
I Aktuatorstrom
L Werkstück / optische Linse
R Bewegungsrichtung der Vorschubbewegung t Zeit
U Umfangsflache der Schleifscheibe
V Vorschubbewegung
WM Winkelmesssystem
x Position des Schleifwerkzeugs
Δχ Betrag der Werkzeugverschiebung
X Vorschubachse / Linearachse Schleifwerkzeug
( lagegeregelt )

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zum Schleifen von Werkstücken (L) , insbesondere zum zentrierenden Schleifen von Werkstücken wie optischen Linsen, mittels eines Schleifwerkzeugs (G) unter Verwendung eines Aktuators (34) zur Erzeugung einer relativen Vorschubbewegung (V) zwischen Schleifwerkzeug (G) und Werkstück ( L ) , wobei der Aktuator (34) mit einem Stromregler (48) für einen eine Vorschubkraft (Fv) des Aktuators (34) bestimmenden Aktuatorstrom (I) in einem Lageregelkreis (40) integriert ist, welcher mit einem vorbestimmten Regelzyklus (n) durchlaufen wird, und wobei für jeden Regelzyklus (n) :
(i) eine Soll-Bewegungsrichtung (Rsoii(n) = ~lr 0 oder 1) der Vorschubbewegung (V) sowie eine Ist-Bewegungsrichtung
( RiSt(n) = -l 0 oder 1) der Vorschubbewegung (V) ermittelt wer¬ den;
(ii) die ermittelte Ist-Bewegungsrichtung ( RiSt(n>) der
Vorschubbewegung (V) sodann mit der ermittelten Soll-Bewegungsrichtung ( Rsoii (n) ) der Vorschubbewegung (V) verglichen wird;
und,
(iii) wenn der Vergleich eine Abweichung zwischen der Ist-Bewegungsrichtung ( RiSt(n>) der Vorschubbewegung (V) und der Soll-Bewegungsrichtung (Rsoii(n)) der Vorschubbewegung (V) er¬ gibt, eine vorbestimmte Stromgrenze (Isoiimax) fur den über den Stromregler (48) abgegebenen Aktuatorstrom (I(n>) definiert reduziert wird, um die Vorschubkraft (FV(n)) des Aktuators (34) zu verringern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei für die Bestimmung der Bewegungsrichtungen ( RiSt(n>; Rsoii(n)) der Vorschubbewegung (V) im Schritt (i) die Soll- und Ist-Positionen (xsoii(n), XsoiKn-n /"
Xist(n), xist(n-i)) des Aktuators (34) aus dem aktuellen Regel¬ zyklus (n) und aus dem vorhergehenden Regelzyklus (n-1) ausgewertet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei dem Vergleich der ermittelten Ist-Bewegungsrichtung (RiSt(n>) der Vorschubbewe¬ gung (V) mit der ermittelten Soll-Bewegungsrichtung (RSoii(n)) der Vorschubbewegung (V) im Schritt (ii) ein Vergleichssignal generiert wird, welches über ein PI- oder PID-Übertragungsglied (62) ein Stromreduktionssignal (Ired(n)) erzeugt, und wobei im Schritt (iii) ein Signal für die vorbestimmte Stromgrenze
(Isoiimax) um das jeweilige Stromreduktionssignal (Ired(n) ) ver¬ ringert als Strombegrenzungssignal (Imax(n) ) dem Stromregler (48) aufgeschaltet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei in Abhängigkeit von der Form des zu schleifenden Werkstücks (L) verschiedene Parametersätze für den Proportionalanteil (Verstärkung KP) und den In- tegralanteil (Nachstellzeit TN) des PI- oder PID-Übertragungsglieds (62) eingesetzt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Aktuator zur Erzeugung der relativen Vorschubbewegung (V) zwischen Schleifwerkzeug (G) und Werkstück (L) ein Linearmotor (34) verwendet wird.
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