DE102018122041A1 - METHOD FOR PRODUCING A BEVEL WHEEL BY MEANS OF A CNC-CONTROLLED MULTI-AXIS MACHINE AND PRODUCTION SYSTEM - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Herstellen eines Kegelrads mithilfe einer CNC-gesteuerten Mehrachsmaschine, mit den Verfahrensschritten:
A) Auslegung einer Kegelradgeometrie und Berechnung einer Sollgeometrie für das zu fertigende Kegelrad;
B) Bereitstellen von Messdaten zur Werkzeuggeometrie, wie Messdaten zu einer abgerichteten Schleifscheibengeometrie, Messdaten zu einem Messerkopf oder dergleichen;
C) Bereitstellen eines Kinematik-Modells der Mehrachsmaschine, mit Messdaten zu wiederkehrenden mechanischen Anregungen, wie Lagerüberrollung, Zahneingriffe, Übersetzungen im Antriebsstrang oder dergleichen;
D) Fertigung des Kegelrads
- unter Korrektur der maschinenkinematisch und werkzeuggeometrisch bedingten Flankenformabweichungen,
- wobei während der Fertigung Messdaten der Maschinenkinematik und der Maschinensteuerung, wie Positionsistwerte der Maschinenachsen, Achsgeschwindigkeiten, der Stromaufnahme der Achsantriebe oder dergleichen, erfasst werden;
E) Berechnung der Ist-Geometrie des zu fertigenden Kegelrads anhand
- der im Schritt A) berechneten Sollgeometrie,
- der im Schritt B) bereitgestellten Messdaten,
- des im Schritt C) bereitgestellten Kinematik-Modells und
- der im Verfahrensschritt D) aufgezeichneten Messdaten.
Process for manufacturing a bevel gear using a CNC-controlled multi-axis machine, with the process steps:
A) Design of a bevel gear geometry and calculation of a target geometry for the bevel gear to be manufactured;
B) providing measurement data for tool geometry, such as measurement data for a dressed grinding wheel geometry, measurement data for a cutter head or the like;
C) Provision of a kinematic model of the multi-axis machine, with measurement data for recurring mechanical excitations, such as bearing rollover, meshing, gear ratios in the drive train or the like;
D) Manufacturing the bevel gear
- correcting the flank shape deviations caused by the machine kinematics and tool geometry,
- Measurement data of the machine kinematics and the machine control, such as actual position values of the machine axes, axis speeds, the current consumption of the axis drives or the like, are recorded during production;
E) Calculation of the actual geometry of the bevel gear to be produced based on
- the target geometry calculated in step A),
- the measurement data provided in step B),
- The kinematic model provided in step C) and
- The measurement data recorded in step D).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Kegelrads mithilfe einer CNC-gesteuerten Mehrachsmaschine und ein Fertigungssystem.The present invention relates to a method for manufacturing a bevel gear using a CNC-controlled multi-axis machine and a manufacturing system.
In modernen Kraftfahrzeugen mit Hybrid- oder Elektroantrieb wird das Getriebegeräusch nicht mehr oder nur in geringerem Maße durch das Motorgeräusch oder das Laufgeräusch der Räder maskiert. Das Getriebegeräusch kann von den Fahrzeuginsassen wahrgenommen und als störend empfunden werden. Aktuelle Fahrzeuggetriebe sollen daher kompakt und leicht bauen, die Antriebsleistung zuverlässig über die gesamte vorgegebene Kilometerlaufleistung des betreffenden Kraftfahrzeugs übertragen - bei gleichzeitig möglichst geringer Geräuschemission.In modern motor vehicles with hybrid or electric drive, the transmission noise is no longer masked or only to a lesser extent by the engine noise or the running noise of the wheels. The transmission noise can be perceived by the vehicle occupants and perceived as disturbing. Current vehicle transmissions should therefore be compact and lightweight, and the drive power transmitted reliably over the entire specified mileage of the motor vehicle in question - with the lowest possible noise emission.
Die Geräuschemission eines Getriebes entsteht maßgeblich durch den Zahneingriff der innerhalb eines Getriebegehäuses abwälzenden Verzahnungen. Hierbei können Abweichungen der Verzahnungsgeometrie von der Sollgeometrie, wie Oberflächenwelligkeiten der Zahnflanken oder dergleichen, insbesondere zu höherharmonischen Geräuschanregungen beim Abwälzen einer Verzahnung führen, die zu einem auffälligen Geräuschverhalten einer Verzahnung beitragen.The noise emission of a gearbox is largely due to the meshing of the teeth that roll within a gearbox housing. In this case, deviations of the tooth geometry from the nominal geometry, such as surface ripples of the tooth flanks or the like, can in particular lead to higher harmonic noise excitations when rolling a tooth, which contribute to a conspicuous noise behavior of a tooth.
Abweichungen feinbearbeiteter Kegelradverzahnungen von ihrer vorgegebenen Sollgeometrie entstehen beispielsweise durch Abweichungen der Maschinengeometrie von der Maschinensollgeometrie, Abweichungen der Maschinenkinematik von der Soll-Kinematik, die Nachgiebigkeit der Maschinenstruktur oder Abweichungen der Werkzeuggeometrie von der Werkzeugsollgeometrie.Deviations of finely machined bevel gear teeth from their specified target geometry result, for example, from deviations of the machine geometry from the target machine geometry, deviations of the machine kinematics from the target kinematics, the resilience of the machine structure or deviations of the tool geometry from the target tool geometry.
Die Qualität einer gefertigten Kegelradverzahnung hinsichtlich ihres Geräuschverhaltens kann derzeit erst am Ende der Fertigungskette mithilfe eines Geräuschprüfstands erfasst werden. Soweit gefertigte Verzahnungen geräuschauffällig ist, erfolgt eine aufwändige die Ursachensuche, die häufig basierend auf Erfahrungswerten durchgeführt wird und wobei die voranstehend beschriebenen Einflussfaktoren auf die Verzahnungsabweichung überprüft werden, wie z.B. die Achsantriebe der Werkzeugmaschine, die Werkzeuggeometrie oder die Werkstückaufspannung.The quality of a manufactured bevel gear toothing with regard to its noise behavior can currently only be determined at the end of the production chain using a noise test bench. As far as manufactured gears are noticeable, there is an extensive search for the cause, which is often carried out based on empirical values and the above-described factors influencing the gearing deviation are checked, e.g. the axis drives of the machine tool, the tool geometry or the workpiece clamping.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, ein Verfahren und ein Fertigungssystem zum Herstellen eines Kegelrads anzugeben, die eine frühzeitige Erkennung prozess- und/oder maschinentechnischer Abweichungen ermöglichen, insbesondere um ein Abbilden derjenigen prozess- und/oder maschinentechnischen Abweichungen auf die Verzahnungsgeometrie zu erkennen und/oder zumindest teilweise oder vollständig zu vermeiden, die zu höherharmonischen Geräuschanregungen beim Abwälzen von Kegelradsätzen führen.Against this background, the present invention is based on the technical problem of specifying a method and a production system for producing a bevel gear, which enable early detection of process and / or machine-technical deviations, in particular to map those process and / or machine-technical deviations to the Recognizing toothing geometry and / or at least partially or completely avoiding it, which lead to higher harmonic noise excitations when rolling off bevel gear sets.
Die voranstehend beschriebene, technische Problemstellung wird jeweils gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Fertigungssystem nach Anspruch 8. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.The technical problem described above is solved in each case by a method according to claim 1 and a manufacturing system according to claim 8. Further refinements of the invention result from the dependent claims and the description below.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Kegelrads mithilfe einer CNC-gesteuerten Mehrachsmaschine, mit den Verfahrensschritten:
- A) Auslegung einer Kegelradgeometrie und Berechnung einer Sollgeometrie für das zu fertigende Kegelrad;
- B) Bereitstellen von Messdaten zur Werkzeuggeometrie, wie Messdaten zu einer abgerichteten Schleifscheibengeometrie, Messdaten zu einem Messerkopf oder dergleichen;
- C) Bereitstellen eines Kinematik-Modells der Mehrachsmaschine, mit Messdaten zu wiederkehrenden mechanischen Anregungen, wie Lagerüberrollung, Zahneingriffe, Übersetzungen im Antriebsstrang oder dergleichen;
- D) Fertigung des Kegelrads
- - unter Korrektur der maschinenkinematisch und werkzeuggeometrisch bedingten Flankenformabweichungen,
- - wobei während der Fertigung Messdaten der Maschinenkinematik und der Maschinensteuerung, wie Positionsistwerte der Maschinenachsen, Achsgeschwindigkeiten, der Stromaufnahme der Achsantriebe oder dergleichen, erfasst werden;
- E) Berechnung der Ist-Geometrie des zu fertigenden Kegelrads anhand
- - der im Schritt
A ) berechneten Sollgeometrie, - - der im Schritt
B ) bereitgestellten Messdaten, - - des im Schritt
C ) bereitgestellten Kinematik-Modells und - - der im Verfahrensschritt
D ) aufgezeichneten Messdaten.
- - der im Schritt
- A) Design of a bevel gear geometry and calculation of a target geometry for the bevel gear to be manufactured;
- B) providing measurement data for tool geometry, such as measurement data for a dressed grinding wheel geometry, measurement data for a cutter head or the like;
- C) Provision of a kinematic model of the multi-axis machine, with measurement data for recurring mechanical excitations, such as bearing rollover, meshing, gear ratios in the drive train or the like;
- D) Manufacturing the bevel gear
- - correcting the flank shape deviations caused by the machine kinematics and tool geometry,
- - Measurement data of the machine kinematics and the machine control, such as actual position values of the machine axes, axis speeds, the current consumption of the axis drives or the like, are recorded during production;
- E) Calculation of the actual geometry of the bevel gear to be produced based on
- - the crotch
A ) calculated target geometry, - - the crotch
B ) provided measurement data, - - the step
C. ) provided kinematics model and - - The one in the process step
D ) recorded measurement data.
- - the crotch
Durch die voranstehend beschriebene Berechnung der Ist-Geometrie wird somit ein „virtueller Zwilling“ des Bauteils erzeugt, der die Abweichungen der Verzahnung von der Sollgeometrie bzw. die tatsächlich gefertigte Verzahnungsgeometrie möglichst realitätsnah abbildet.The above-described calculation of the actual geometry thus creates a “virtual twin” of the component, which depicts the deviations of the toothing from the target geometry or the actually produced toothing geometry as realistically as possible.
Anhand dieses virtuellen Zwillings kann eine softwaregestützte Analyse der zu erwartenden Geräuschanregung erfolgen (Vorwärtsanalyse), insbesondere durch ein simuliertes Abwälzen des virtuellen Zwillings mithilfe einer entsprechenden Software. Somit kann eine erste Einschätzung zum Geräuschverhalten durchgeführt werden, bevor das gefertigte Bauteil mithilfe eines Geräuschprüfstands untersucht wird. Alternativ kann die softwaregestützte Analyse der zu erwartenden Geräuschanregung mithilfe des virtuellen Zwillings die Prüfung des gefertigten Bauteils auf einem Geräuschprüfstand vollständig ersetzen. On the basis of this virtual twin, a software-supported analysis of the expected noise excitation can be carried out (forward analysis), in particular by simulated rolling of the virtual twin using appropriate software. Thus, a first assessment of the noise behavior can be carried out before the manufactured component is examined using a noise test bench. Alternatively, the software-supported analysis of the expected noise excitation using the virtual twin can completely replace the test of the manufactured component on a noise test bench.
Es versteht sich, dass durch die Bezeichnung und Reihenfolge der Nennung der einzelnen Verfahrensschritte keine zwingende Reihenfolge der Verfahrensschritte vorgegeben ist. So kann z.B. Verfahrensschritt
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist daher vorgesehen, dass
- - in einem Verfahrensschritt
F1 ) die zu erwartende Geräuschanregung des gefertigten Kegelrads berechnet wird, durch:- - Bestimmung von Abweichungen der Flankenform der im Schritt
E ) berechneten Ist-Geometrie zu der im SchrittA ) berechneten Sollgeometrie, wie Oberflächenwelligkeiten oder dergleichen; - - Berechnung des zu erwartenden Geräuschverhaltens des gefertigten Kegelrads durch Ordnungsanalyse der bestimmten Abweichungen.
- - Bestimmung von Abweichungen der Flankenform der im Schritt
- - in one process step
F1 ) the expected noise excitation of the manufactured bevel gear is calculated by:- - Determination of deviations in the flank shape of the step
E ) calculated actual geometry to that in stepA ) calculated target geometry, such as surface ripples or the like; - - Calculation of the expected noise behavior of the manufactured bevel gear by order analysis of the determined deviations.
- - Determination of deviations in the flank shape of the step
Oberflächenwelligkeiten auf den Zahnflanken des gefertigten Kegelrads tragen maßgeblich zur Geräuschanregung beim Abwälzen bei und sind häufig die Ursache für ein auffälliges Geräuschverhalten. Mithilfe der voranstehend beschriebenen Ordnungsanalyse können daher frühzeitig eine potentiell geräuschauffällige Verzahnung detektiert und eine oder mehrere dominante Ordnungen als Ursache des auffälligen Geräuschverhaltens zugeordnet werden.Surface ripples on the tooth flanks of the manufactured bevel gear make a significant contribution to noise excitation during rolling and are often the cause of a striking noise behavior. With the help of the order analysis described above, a potentially noisy toothing can be detected at an early stage and one or more dominant orders can be assigned as the cause of the noticeable noise behavior.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
- - in einem Verfahrensschritt
F2 ) eine Ursache für eine Geräuschanregung des gefertigten Kegelrads bestimmt wird, durch:- - Analyse des Geräuschverhaltens des gefertigten Kegelrads, wobei ein Ordnungsspektrum bestimmt wird;
- - Vergleich des Ordnungsspektrums mit dem Kinematikmodell der Mehrachsmaschine.
- - in one process step
F2 ) a cause for noise excitation of the manufactured bevel gear is determined by:- - Analysis of the noise behavior of the manufactured bevel gear, whereby an order spectrum is determined;
- - Comparison of the order spectrum with the kinematic model of the multi-axis machine.
Korreliert beispielsweise eine auffällige Geräuschordnung mit einer bekannten, wiederkehrenden mechanischen Anregung der Mehrachsmaschine, wie z.B. einer Lagerüberrollung, einer Spindeldrehzahl, einer Übersetzung im Antriebsstrang oder dergleichen, kann die Ursache für die Abweichung der Verzahnung von ihrer Sollgeometrie unmittelbar z.B. auf eine Unwucht der Spindel oder dergleichen zurückgeführt werden (Rückwärtsanalyse).Correlates, for example, a conspicuous order of noise with a known, recurring mechanical excitation of the multi-axis machine, e.g. a bearing rollover, a spindle speed, a transmission ratio in the drive train or the like, the cause of the deviation of the toothing from its nominal geometry can be e.g. can be traced back to an imbalance of the spindle or the like (backward analysis).
Die Analyse des Geräuschverhaltens kann dabei durch einen Prüfstandsversuch an der gefertigten Verzahnung, z.B. durch eine Drehfehlermessung und/oder eine Körperschallanalyse, und/oder anhand einer Analyse der im Verfahrensschritt
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass auf Grundlage der im Schritt
Soweit eine Verzahnung beispielsweise innerhalb einer Kegelradschleifmaschine geschliffen wird, kann eine im Rahmen einer ersten Zustellung des Werkzeugs berechnete Abweichung des „virtuellen Zwillings“, die zu einer auffälligen Geräuschanregung führen wird, in einer zweiten Zustellung des Schleifwerkzeugs korrigiert werden, in dem die Prozessparameter zur Korrektur der vorhergesagten Abweichungen angepasst werden. So kann ein maschinenspezifischer bzw. maschineninterner Regelkreis angegeben werden (maschineninterner „closed loop“) um die Qualität der gefertigten Verzahnungen zu verbessern und Ausschuss zu vermeiden.If a toothing is ground within a bevel gear grinding machine, for example, a deviation of the "virtual twin" calculated as part of a first infeed of the tool, which will lead to conspicuous noise excitation, can be corrected in a second infeed of the grinding tool, in which the process parameters are corrected of the predicted deviations. A machine-specific or machine-internal control loop can be specified (machine-internal "closed loop") in order to improve the quality of the gears produced and to avoid rejects.
Die Berechnung der zu erwartenden Geräuschanregung kann dabei mithilfe eines Rechners der Mehrachsmaschine selbst oder mithilfe eines drahtlos oder kabelgebunden mit der Maschine verbundenen Servers erfolgen. Soweit die Berechnungen auf einem Server stattfinden, kann das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise mit bereits bestehenden Werkzeugmaschinen durchgeführt werden, die eine Netzwerkschnittstelle aufweisen.The expected noise excitation can be calculated using a computer on the multi-axis machine itself or using a server connected to the machine wirelessly or by cable. If the calculations take place on a server, the method according to the invention can be carried out in a simple manner with already existing machine tools which have a network interface.
Alternativ oder ergänzend ist vorgesehen, dass auf Grundlage der im Schritt
Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch ein Bereitstellen der im Schritt
Die erfassten Daten können gesammelt, analysiert und zur Verbesserung der Berechnung der Ist-Geometrie verwendet werden, wobei insbesondere Messungen am gefertigten Bauteilen der jeweils berechneten Ist-Geometrie gegenübergestellt werden.The recorded data can be collected, analyzed and used to improve the calculation of the actual geometry, in particular measurements on the manufactured components being compared to the respectively calculated actual geometry.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die CNC-gesteuerte Mehrachsmaschine eine Kegelradschleifmaschine ist und das Verfahren ein Kegelradschleifverfahren ist.According to a further embodiment of the method, it is provided that the CNC-controlled multi-axis machine is a bevel gear grinding machine and the method is a bevel gear grinding method.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die CNC-gesteuerte Mehrachsmaschine eine Kegelradfräsmaschine ist und das Verfahren ein Kegelradfräsverfahren ist.According to a further embodiment of the method, it is provided that the CNC-controlled multi-axis machine is a bevel gear milling machine and the method is a bevel gear milling method.
Es kann vorgesehen sein, dass
- - auf Grundlage der im Schritt
F1 ) berechneten Geräuschanregung und/oder im SchrittF2 ) bestimmten Ursache der Geräuschanregung eine Bestimmung - - einer zu erwartenden Lebensdauer und/oder eines Verschleißzustands einer Komponente der Mehrachsmaschine erfolgt.
- - based on the step
F1 ) calculated noise excitation and / or in stepF2 ) a certain cause of the noise excitation - - An expected service life and / or a state of wear of a component of the multi-axis machine takes place.
Beispielsweise kann die berechnete zu erwartende Geräuschanregung noch im tolerierbaren Bereich liegen, die berechneten Ordnungen einer Welligkeitsanalyse jedoch z.B. auf einen bevorstehenden Lagerschaden eines Spindellagers hindeuten. Die Analyse des virtuellen Zwillings kann daher auch zur Bestimmung des Maschinenzustands bzw. des Verschleißzustands einzelner Maschinenkomponenten verwendet werden.For example, the calculated expected noise excitation can still be within the tolerable range, but the calculated orders of a ripple analysis, e.g. indicate impending bearing damage to a spindle bearing. The analysis of the virtual twin can therefore also be used to determine the machine condition or the wear condition of individual machine components.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Fertigungssystem zum Herstellen eines Kegelrads, eingerichtet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit einer CNC-gesteuerten Mehrachsmaschine zur Durchführung des Verfahrensschritts
Es kann vorgesehen sein, dass der Simulationsrechner ein Server ist und die CNC-gesteuerte Mehrachsmaschine zum Datenaustausch drahtlos und/oder kabelgebunden mit dem Server vernetzt ist. So können rechenintensive Vorgänge auf den Server ausgelagert werden.It can be provided that the simulation computer is a server and the CNC-controlled multi-axis machine for data exchange is networked wirelessly and / or wired to the server. Computing-intensive processes can thus be outsourced to the server.
Es kann vorgesehen sein, dass der Simulationsrechner integraler Bestandteil der CNC-gesteuerten Mehrachsmaschine ist. So kann z.B. ein leistungsstarker Mehrkernprozessor innerhalb der Werkzeugmaschine verbaut sein, um insbesondere einen oder mehrere der Schritte
FigurenlisteFigure list
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher beschrieben Es zeigen jeweils schematisch:
-
1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens; -
2 ein erfindungsgemäßes Fertigungssystem.
-
1 a flow diagram of a method according to the invention; -
2nd a manufacturing system according to the invention.
In einem Verfahrensschritt
In einem Verfahrensschritt
In einem Verfahrensschritt
In einem Verfahrensschritt
In einem Verfahrensschritt
Die im Schritt
In einem Verfahrensschritt
In einem Verfahrensschritt
Auf Grundlage der im Schritt
Der Simulationsrechner
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Legal Events
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: JANKE SCHOLL PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
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