Zusammenfassung: Basierend auf der Forschung zu CNC-Schleifverfahren für Werkzeuge mit spiralförmigen Schneidkanten wird ein Verfahren zur Bestimmung der geometrischen Parameter der Schneidkante vorgeschlagen. Die Konstruktion, Entwicklung und Implementierung der Hard- und Software eines wirtschaftlichen CNC-Werkzeugschleifmaschinen-Steuerungssystems für das Schleifen von Werkzeugen mit spiralförmigen Schneidkanten werden vorgestellt. 1 Einleitung: Werkzeuge mit spiralförmigen Schneidkanten sind Schneidwerkzeuge wie Rundfräser, Schaftfräser und Spiralnutreibahlen. Das Schleifen dieser Werkzeuge erfolgt üblicherweise manuell durch den Bediener an einer Werkzeugschleifmaschine mit Zubehör. Der Bediener beurteilt anhand des Funkens, ob die Schleifscheibe den Schneidzahn berührt, und steuert die Schnitttiefe erfühlend. Zudem muss jeder Schneidzahn in einem Arbeitsgang geschliffen werden. Dies stellt hohe Anforderungen an den Bediener, erschwert die Sicherstellung der Schleifqualität und führt zu einer geringen Schleifleistung. Diese Arbeit untersucht das CNC-Schleifverfahren für Werkzeuge mit spiralförmigen Schneidkanten und entwickelt darauf basierend eine kleine, wirtschaftliche CNC-Werkzeugschleifmaschine. Dadurch wird das Problem des CNC-Schleifens von Werkzeugen mit spiralförmigen Schneidkanten mit unbekannten Parametern gelöst. 2. Antriebssystem der CNC-Werkzeugschleifmaschine. Abbildung 1 zeigt das Antriebssystem des mechanischen Teils dieser CNC-Werkzeugschleifmaschine. Im Diagramm stellen die Y- und Z-Achse die horizontale und vertikale Bewegung des Arbeitstisches dar; die X-Achse die Hebe- und Senkbewegung des Schleifkopfes; und die C-Achse die Drehbewegung des Werkzeugs (Werkstücks). Der Schleifkopf kann manuell um die X-Achse gedreht werden; Schleifscheibe und Werkzeug können geneigt werden; und das Werkzeuggetriebe kann sich in der horizontalen Ebene drehen. Abbildung 1: Vereinfachtes Diagramm des Antriebssystems. 3. Hardwarestruktur des Steuerungssystems. Die Hardwarestruktur des Steuerungssystems ist in Abbildung 2 dargestellt. Es verwendet einen 8031-Mikrocontroller als CPU. Das Systemprogramm ist in den unteren 7 Bits des P2-Ports und einem 32 KB großen EPROM 27256, der extern vom P0-Port erweitert wird, gespeichert. Daten werden in den unteren 3 Bits des P2-Ports und einem 2 KB großen RAM 6116, der extern vom P0-Port erweitert wird, gespeichert. Die fünf oberen Bits des P2-Ports dienen der Adressdekodierung zur Auswahl der LED-Anzeige, der Schnittstellenchips (8155, 8255), des Datenspeichers (6116) und des Latches (273). Der P1-Port ist für den manuellen Betrieb mit dem Schrittmotor verbunden. Die Steuerschaltung gibt das Ansteuersignal für den Schrittmotor über den P0-Port aus und sendet es über den Latch (273) an den Schrittmotortreiber. Der PA-Port des 8255 ist mit den Start- und Pausentasten des Systemprogramms sowie dem Schalter zur Auswahl des Betriebsmodus (Parametereingabe, Messmodus, Werkzeugeinstellungsmodus und Automatikmodus) verbunden. Der PB-Port dient zur Eingabe von Messsignalen für die Werkzeugverzahnung und anderen Hilfsfunktionssignalen. Der PC-Port dient zur Ausgabe von Hilfsfunktionssignalen. Der PA-Port und der PC-Port des 8155 sind mit den Zeilen- bzw. Spaltenleitungen der Tastatur verbunden, der PB-Port zusätzlich mit dem Werkzeugauswahlschalter. Abbildung 2 Hardware-Blockdiagramm 4 Messung der geometrischen Parameter von Schraubenzähnen Beim CNC-Schleifen muss das Verhältnis zwischen axialem und Umfangsvorschub des Werkzeugs bestimmt werden. Da der Steigungswinkel β und die Steigung des Schraubenzahnwerkzeugs in der Fertigung in der Regel unbekannt sind, müssen die relevanten Parameter des Schraubenzahns vor dem Schleifen gemessen werden. Zu diesem Zweck wird der Schraubenzahn, wie in Abbildung 3 dargestellt, zu einer geraden Linie abgewickelt. Die axiale Vorschublänge (bestehend aus der Einschleiflänge l1, der Schneidkantenlänge l2 und der Ausschleiflänge l3) sei l, dann sei die entsprechende Umfangsvorschubbogenlänge (bestehend aus der Einschleifbogenlänge s1, der Schneidkantenbogenlänge s2 und der Ausschleifbogenlänge s3) s0. Um die Bogenlänge s zu bestimmen, können zunächst die geometrischen Parameter eines Spiralabschnitts gemessen und anschließend die Bogenlänge s' anhand ähnlicher Dreiecke berechnet werden. Vor dem Schärfen wird daher ein Messkopf am Schleifkopf montiert. Der Messkreis aus Messkopf und Schneidwerkzeug bildet einen geschlossenen Regelkreis (Abbildung 4). Im Messmodus (manuelle Funktion) berührt der Messkopf zunächst die Schneidzähne, anschließend bewegt sich das Schneidwerkzeug linear oder rotiert. Die Bewegungsbahn des Messkopfes relativ zum Schneidwerkzeug ist in Abbildung 3 (1 oder 2) dargestellt. Das Steuerungssystem erfasst dabei automatisch die Anzahl der linearen Bewegungsschritte Z1 und der Rotationsschritte C1 des Schneidwerkzeugs. Basierend auf dem Impulsäquivalent der Z-Achse wird die Vorschublänge/Eingabe vom Bedienfeld in die Anzahl der Rotationsschritte Ze des Schrittmotors umgerechnet. Mithilfe der gemessenen Werte für Z1 und C1 sowie der geometrischen Beziehung in Abbildung 3 wird die Anzahl der Rotationsschritte Ce der C-Achse berechnet. Mit den Endpunktkoordinaten (Ze, Ce) der Geraden wird durch die Zwei-Achsen-Kopplung der linearen Bewegung und Rotation des Schneidwerkzeugs eine lineare Interpolation durchgeführt. Abbildung 3 zeigt die Abwicklung der Helix. Um zu verhindern, dass der Messfehler durch den Überhub in C-Richtung (verursacht durch den Abstand zwischen Schneidezähnen und Messkopf, der kleiner als ein Impulsäquivalent ist) die Genauigkeit der Spiralsteigung beeinträchtigt, sollte einerseits die Bogenlänge δ des sich in jedem Schritt des Schrittmotors drehenden Schneidwerkzeugs so weit wie möglich minimiert werden. Ein Schrittmotor mit kleinerem Schrittwinkel wird gewählt, und ein kleineres Übersetzungsverhältnis kann den Wert von δ beim Schleifen von Schneidwerkzeugen mit größerem Durchmesser reduzieren. α = 0,36°, u = , d = 80 mm. Dabei ist α der Schrittwinkel des Schrittmotors, d der Fräserdurchmesser und u das Übersetzungsverhältnis des Getriebes. Abbildung 4: Messschaltung. Andererseits kann auch eine Erhöhung der Messlänge in Z-Richtung den Einfluss des Überhubfehlers in C-Richtung auf die Genauigkeit der Spiralsteigung verringern. 5. Steuerungssystemsoftware: Die Software ist modular aufgebaut, und die Ausführung des Moduls hängt vom Modus-Schalterstatus am Bedienfeld ab. Nachdem das Hauptprogramm die Initialisierungsarbeiten wie das Einrichten der E/A-Ports und das Löschen der verschiedenen Datenspeicher abgeschlossen hat, wechselt es je nach Status des Modusschalters in einen der Modi. Die wichtigsten Arbeitsmodi sind: (1) Parametereingabemodus. Geben Sie gemäß der Systemanweisung nacheinander über die Tastatur die Anzahl der Fräserzähne, die Fräserrichtung, die Vorschublänge, das Schleifaufmaß, die Vorschubzyklen, die Vorschubgeschwindigkeit sowie die unteren Messgrenzwerte Z1min und C1min der Z- und C-Achse ein. (2) Messmodus. Abbildung 5 zeigt den Ablauf des Messprogramms. Mithilfe der manuellen Funktion der Z- und C-Achse wird der Messkopf durch Kontakt der Fräserzähne mit dem Messkopf bestimmt. Während der Messung ermittelt das System anhand der Zahndrehrichtung die axiale und die Umfangs-Vorschubrichtung des Werkzeugs. Sobald der Messwert die voreingestellten Werte Z1min und C1min erreicht oder überschreitet, drücken Sie die Taste C, um den Zahn zum Messkopf zu drehen. Sobald sich die beiden Teile berühren, ist ein weiteres Drücken der Tasten Z und C wirkungslos, um Bedienungsfehler und Beschädigungen des Messgeräts zu vermeiden. Anschließend wird die Berechnung abgeschlossen und das Hauptprogramm kehrt zurück. (3) Werkzeugeinstellungsmodus. Beim Schärfen der Vorder- und Hinterflächen des Werkzeugs wird zunächst der Schleifscheibenhalter so gedreht, dass der Funke am Kontaktpunkt mit der Tangentenrichtung dieses Punktes übereinstimmt. Der Werkzeugeinstellungspunkt wird im manuellen Modus eingestellt. Das System zeichnet dabei automatisch die Werkzeugbewegungsschritte Z2 vom Startpunkt bis zum Werkzeugeinstellungspunkt auf. Anschließend wird der Modusschalter auf Werkzeugeinstellungsmodus gestellt. Nach dem Start des Werkzeugeinstellungsprogramms ruft das System zunächst die intern gespeicherten Parameter Z1, C1 und Z2 ab. Gemäß der Berechnung werden die Werkzeugrotationsschritte C2 berechnet, die das Werkzeug benötigt, um zum Startpunkt zurückzukehren. Das System führt eine lineare Interpolation mit (Z2, C2) als Startpunkt durch, und das Werkzeug kehrt zum Schärfstartpunkt (0, 0) zurück. Abbildung 5: Ablaufdiagramm des Messprogramms. Abbildung 6: Ablaufdiagramm des automatischen Schärfprogramms. (4) Automatikmodus. Das Ablaufdiagramm des automatischen Schärfprogramms ist in Abbildung 6 dargestellt. Dabei ist f die Schärfzugabe für jeden Zahn und i die Anzahl der Vorschübe zum Schärfen jedes Zahns. n ist die Anzahl der Zähne. Im Zyklus bilden die Zähne den inneren Zyklus, die Anzahl der Vorschübe den äußeren. Das heißt, jeder Vorschub dient dazu, alle Zähne einmal zu schärfen. Dadurch werden die Zähne durch die Hitze gleichmäßig verformt und der Abtrag ist gleich. Dies gewährleistet, dass die Zähne nach dem Schärfen den gleichen Umfang haben. Wenn der Indexierungsschritt m eine Dezimalzahl enthält, wird diese aufgerundet und dem nächsten Indexierungsschritt hinzugefügt. 6. Fazit: (1) Durch das CNC-Zyklusschärfen lässt sich der Einfluss der Schleiftemperatur auf die Schärfgenauigkeit reduzieren. Die Schärfgenauigkeit ist höher als beim manuellen Schärfen, und die Qualität ist stabil. (2) Alle Zähne eines Messers können in einem Arbeitsgang geschärft werden, was die Schärfeffizienz und den Automatisierungsgrad erhöht. (3) Das Serienschärfen erfordert keine wiederholten Messungen. Es genügt, die gleiche Spannreferenz auszuwählen, was die Bedienung einfach und komfortabel macht. (4) Das Verfahren ist nur zum Schärfen von Werkzeugen mit gleichmäßig geteilten Spiralzähnen anwendbar.