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Neueste Laser-Prozessmesstechnik für die Präzisionsbearbeitung

Forderungen nach integrierter Produktionsmesstechnik

Die Endbearbeitung auf Schleifmaschinen fordert bekanntermassen oft anspruchsvolle Toleranzen bezogen auf Mass-, Form- und Lagegenauigkeit sowie hochgenauen Oberflächengüten. Oft sind Erfahrungswerte zum Erzielen dieser Anforderungen in den Firmen vorhanden. Jedoch gerade auch bei kleinen Losgrössen ist der Wunsch nach einer Prozessbeurteilung auf der Maschine gegeben, da das zwischenzeitliche Messen auf externen Messmaschinen und entsprechenden Korrekturen die Durchlaufzeit der Teilebearbeitung verlängert. Diese Kontrollmassnahmen würden die Prozesssicherheit und Produktivität erheblich steigern. Ideal und wünschenswert sind Lösungen, die flexibel für verschiedenste Werkstückspektren einsetzbar sind.

Möglichkeiten der Prozessmesstechnik in Schleifprozessen

Dem Fertigungstechniker stehen zur Prozessbeurteilung diverse Möglichkeiten von Messfunktionen zur Verfügung, die auf verschiedenen Prinzipien der Produktions-messtechnik basieren. Die Messung von Prozesskräften wie etwa Schleifkräfte (Ft, Fn) oder vergleichende Schleifspindelströme geben beispielsweise ein Indiz für das Erreichen von Standzeiten von Werkzeugen oder ebenso wichtig, die schwankenden Aufmasse, die die Prozessstabilität und das Einhalten geforderter Toleranzen beeinflussen können, werden ermittelt. Zusätzlich können Werkzeugkosten reduziert werden, da ein zu häufiges Abrichten verhindert wird. Bekannte Körperschallsensorik unterstützt die sogenannte Anfunkerkennung im Schleifprozess zur Reduktion der Schleifzeit oder überwacht den profilgerechten Abrichtprozess mit seinen Hüllkurven-Funktionen. Taktile Messsysteme wie Mess-Steuerungssysteme für Durchmesser oder Werkstücklängen, pneumatische Systeme oder Mikrosensoren für Längenausdehnungen von Spindelsystemen unterstützen ebenso die Erhöhung der Prozesssicherheit. Weitere Messfunktionen können hier weiter beschrieben werden, wie zum Beispiel der Einsatz von Kamera- oder Lasersystemen zur Prozessüberwachung. Gerade die Laser-Messtechnik eröffnet nun interessante Einsatzgebiete.

Integration von Laser-Messtechnik in STUDER-Universalrundschleifmaschinen

STUDER kann auf eine mehr als 10-jährige Erfahrung beim Einsatz von maschinen-integrierter Lasermesstechnik zurückgreifen, die zu Erprobungszwecken zur Vermessung von Schleifscheiben oder Werkstücken beurteilt wurden. Solche Grundlagenuntersuchungen haben bei STUDER Tradition, um für künftige Trends in der Produktionstechnik vorbereitet zu sein. Auf diese Erkenntnisse und Erfahrungen wurde nun zurückgegriffen, um den jetzt aktuellen Bedürfnissen gerecht zu werden. Die in anderen Branchen zur Werkzeugüberwachung eingesetzten Systeme wurden STUDER-spezifisch auf der Basis der erst in jüngerer Zeit erhältlichen neuesten Laser-messtechnik zur Vermessung von Werkstücken auf Schleifmaschinen weiterentwickelt. Die nötige Messvorrichtung (siehe U-Profil im Bild 4) wird mechanisch montiert, ähnlich wie bei unseren Messtastern an unseren B-Achsen, die die entsprechende Schleifspindel tragen. Diese Situation gibt eigentlich den Bedienern kein ungewohntes Bild.

Die Grösse dieser Messvorrichtung kann dem Werkstückdurchmesser angepasst werden. Die vorhandenen Luftdüsen zum Abblasen des Werkstücks während der Messung und die neuentwickelten Schmutzblenden schützen die Laseroptik effizient vor dem Kühlschmierstoff in der Maschine. Gegenüber den Vorgängermodellen setzt der Hersteller der Lasereinheit auch eine weiterentwickelte genauere Laseroptik ein. Der markanteste Punkt ist jedoch aus unserer Sicht die Möglichkeit, dass bei drehendem Werkstück viele Tausend Messpunkte zur Auswertung generiert werden. Dadurch wird die Messzeit wesentlich verkürzt. Diese Merkmale konnten nun in den STUDER-spezifischen Messzyklen integriert werden. Somit wird dem Anwender eine geeignete Methode zum berührungslosen Messen zur Bearbeitung von Präzisionswerkstücken zur Verfügung gestellt.

An dieser Stelle soll erwähnt werden, dass nicht nur verschiedene grosse Durchmesser mit einer Lasermesseinrichtung erfasst werden, sondern auch an «unterbrochenen» Durchmessern, wie zum Beispiel Wellen mit Keil- oder Längsnuten sowie Verzahnungen im Durchmesserbereich, mit einer Lasermesseinrichtung präzise Kontrollmessungen vorgenommen werden können (s. Bild 2). Das Ein- und Umrichten bisher eingesetzter taktiler Messsteuerungen entfällt. Eine Massnahme, die zu einer erheblichen Effizienzsteigerung führt.

Der Messzyklus kann beliebig nach jeder Bearbeitung oder am Ende des Schleifprozesses angewählt werden. Die STUDER-Software protokolliert (s. Bild 3) nach jedem Messzyklus die gemessenen Werte pro Durchmesser. Dieses Vorgehen ermöglicht dem Bediener, auf einem Blick die Qualität des geschliffenen Bauteils festzustellen.

Einsatzbeispiel der Laser-Messtechnik für Schneidwerkzeugen

Ein sehr effizientes Beispiel der Nutzung einer integrierten Messstrategie ist die anspruchsvolle Bearbeitung kleiner Losgrössen von Werkzeugen mit PKD-Schneiden. Häufig steht dabei die Frage im Raum, wer hier wen bearbeitet, die Diamantschleifscheibe das Werkzeug oder umgekehrt. Zu diesem Zweck kommt oft der sogenannte «closed loop process» mit taktilen Messmitteln zur Anwendung (Bild 3). In mehreren Iterationsstufen werden die Schneiden gemessen, geschliffen, gemessen, etc. Mit dieser Massnahme werden Durchmesser-Toleranzen von +/- 1,5 Mikrometer erreicht, welche ein sehr gutes Ergebnis darstellen. Für diese Anwendungen ergaben sich vermehrt Forderungen, die den Wunsch des berührungslosen Messens erfüllen, da die PKD-Schneiden teilweise empfindlich auf ein taktiles Messen reagieren.

Der erwähnten Forderung des berührungslosen Messens von Werkzeugen in diesem Toleranzbereich, die Schneiden oder auch Führungsleisten aufweisen, kann nun mit der beschriebenen integrierten Laser-Messtechnik Rechnung (Bild 4) getragen werden. Typische Messaufgaben, die in diesem Sektor gefordert werden, sind beispielsweise: Messung eines Werkzeuges mit Schneiden, wobei der kleinste und grösste Schneidendurchmesser in einer Messebene ermittelt wird. Die Messung in zwei verschiedenen Ebenen des Schneidwerkzeuges, d.h. an verschiedenen Ebenen des durch Rotation erzeugten Messzylinders, ergibt das Mass der gewünschten Verjüngung an Schneidwerkzeugen, welches nun ausgegeben werden kann.

In Abhängigkeit der Massunterschiede zwischen dem Durchmesser von Schneiden und Führungsleisten von einem Schneidwerkzeug in der gleichen Messebene kann die Laseroptik diese Durchmesser auch bei rotierendem Werkstück ermitteln. Bei den meisten Werkzeugen wird dies der Fall sein und sich positiv auf die reduzierte Messzeit auswirken.

Wer im eingespannten Zustand des zu schleifenden Werkzeugs vor der Bearbeitung wissen möchte, wie gross der Rundlauffehler vom Werkzeugschaft zum Schneidendurchmesser am Ende des Werkzeugs ist, dem kann mit STUDER-Messzyklen geholfen werden.

Fazit

Die vorgestellte Strategie der maschinenintegrierten Laser-Messtechnik erweitert die Anwendungsmöglichkeiten der Prozessmesstechnik in Schleifmaschinen. Ein präziser, universeller, berührungsloser Messvorgang unterstützt den Anwender in seinen Bemühungen zur Effizienzsteigerung in der Präzisionsbearbeitung.

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