控制切齒機的方法和切齒的製造方法
2023-11-12 06:51:47
控制切齒機的方法和切齒的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種控制切齒機的方法，該切齒機具有至少一個用於在裝夾在工件座中的工件上切削齒輪的刀具，其中，工具機控制在齒輪切削加工過程中進行了三維碰撞監測。
【專利說明】控制切齒機的方法和切齒機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種控制切齒機的方法，該切齒機具有至少一個用於在被裝夾在工件座上的工件上切削齒輪的刀具。
【背景技術】
[0002]現有的切齒機包括多個受控的CNC軸，用來產生刀具、工件或者用於工件的齒輪加工的其他工具機部件所需要的徑向運動、切向運動、軸向運動、旋轉運動、樞軸運動或者垂直運動。切齒機的CNC控制接管了各個數控軸驅動的程控控制。
[0003]現代切齒機越來越多地採用通用配置，這樣他們能夠通過可調整的工具機部件，被配置和編程用於不同的齒輪加工應用。可調整的工具機部件包括例如加工頭或裝夾在其中的工作心軸(該心軸上安裝有一個或多個刀具)，以及用於裝夾工件的器具或工件本身。所使用的可調整的工具機部件的多樣性和複雜性使工具機控制的編程越來越困難。另外，關於各個可調整工具機部件的大量工具機參數被程控的齒輪加工過程的工具機配置所需要。通常，它們需要由操作員手動輸入到控制中。
[0004]上述問題會導致切齒機的操作風險增大，因為在齒輪加工過程中會由於不正確的輸入或者由於程序代碼出錯而發生碰撞。為此，需要一些知道如何防止碰撞危險的複雜的保護措施。
【發明內容】
[0005]本發明的目的通過具有權利要求1所述的特徵的方法實現。該方法的優選實施例是從屬於該獨立權利要求的從屬權利要求的主題。
[0006]根據權利要求1，提供了一種控制切齒機的方法，該切齒機具有用於在裝夾在工件座上的工件上切削齒輪的刀具。所述切齒機適用於製造具有內齒和外齒的帶齒的齒輪。根據本發明，工具機控制在齒輪切削加工過程中執行三維碰撞監測。因此，在齒輪切削加工過程中，碰撞監測實時進行。理想地，齒輪切削工藝的每個加工步驟都被監控可能的碰撞。
[0007]在齒輪加工過程中對特定工具機部件的動力學特性在三維空間中進行監測。各個工具機部件在工具機控制中採用三維物體被虛擬模擬，他們的運動例程被用來實時監控碰撞。整個齒輪加工過程在三維空間模型中被模擬，以監測碰撞或可能的碰撞。另外，決策邏輯必須區分允許的碰撞(例如刀具特別是刀刃和工件之間的碰撞)和不允許的碰撞。
[0008]理想地，齒輪加工過程中進行依賴於過程的運動的幾乎所有工具機部件都進行了碰撞監測。這些運動包括進給運動、徑向運動或樞軸運動。碰撞監測不再限於只監測刀刃，而是對所有可移動的工具機部件的都總外圍或實際總外圍都通過碰撞監測來檢測。
[0009]碰撞監測優選包括安裝在切齒機上的依賴於將要進行的齒輪加工過程的可調整的工具機部件。可調整的工具機部件特別是加工頭、裝夾在其中的並有一個或多個刀具安裝其上的工作心軸、用於裝夾工件的器具以及工件本身。由於這些可調整的工具機部件的使用必須採用手動的配置輸入或修改工具機控制，所以它們的碰撞風險有所增大。為此，對這些可調整部件進行直接的碰撞監測是特別優選的。
[0010]根據該方法的一個優選實施例，待監測的所述工具機部件被建模為虛擬的三維物體，並且它們關於彼此之間的間距的動力學特性在三維空間中被監視。當小於設定的最小間距時，碰撞監測可以識別出可能的碰撞並通知操作員。用於特定星座或工具機部件的不同的限制值是可以想到的。
[0011]可以想到的是，例如虛擬三維建模基於包絡函數實現，其中包絡是覆蓋在相應的工具機部件上的。因此，可以在使用不同的三維包絡的三維模型中監測齒輪切削操作。
[0012]可以想到的是，包絡或包絡體的解析度，即建模的精度由與至少一個其他工具機部件的距離確定。解析度優選隨著距離的減小而增大。當距離充分大的時候，碰撞的可能性較小，因此較小的解析度足以用來建模。由於解析度較小，工具機控制可以進行較少資源集中的操作。隨著距離的減小，由於碰撞的可能性增加，因此需要高解析度。
[0013]在本發明的一個優選實施例中，碰撞監測能夠在CNC控制的齒輪加工過程中和/或手動控制的齒輪加工過程中進行。除了純齒輪切削加工監測碰撞以外，還可以在工件更換或刀具更換過程中監測碰撞，這是因為在這些特定的加工過程中，也存在與特定工具機部件即將發生碰撞的風險。
[0014]碰撞監測優選以預測的方式進行，在該方式中，工具機部件的將來的運動被用來監測程序例程中的碰撞。更多的運動參數能夠從工具機控制的程序代碼中得到。當切齒機採用手動工具機控制時，一個或多個工具機部件的將來的運動參數通過合適的預測過程進行估計。
[0015]如果碰撞監測識別出碰撞，切齒機的工具機控制能夠停止、減慢或打斷齒輪切削加工。這同時應用於碰撞的可能風險的識別和直接在碰撞發生之前識別。在識別碰撞風險之後或者識別碰撞之後，工具機控制能夠在合適的顯示裝置上輸出警報。碰撞狀態的可視畫面，特別是具有涉及到的工具機部件的可視畫面，是容易想到的。
[0016]可以想到的是，可以離線執行碰撞監測。當在切齒機的調整過程之後且在齒輪加工過程開始之前就識別出可能發生碰撞的點和危險，被進一步直接避免時，離線執行的碰撞監測是特別有用的。在這一點上，可以相信的是，在切齒機完整配置以後，工具機控制中進行預期的齒輪加工過程的虛擬仿真，從而可以識別出可能發生碰撞的點。在齒輪加工過程開始之前，可以採取合適的防護措施以儘可能地降低風險。
[0017]本發明還涉及一種切齒機，該切齒機具有用於執行本發明的方法的工具機控制或者用於執行本發明的方法的優選實施例的工具機控制。切齒機顯然具有和本發明的方法相同的有點和性能，因此這裡不再進行重複描述。
[0018]除了所述切齒機，本發明還涉及存儲在數據載體上的用於執行本發明的方法或者所述方法的優選實施例的控制軟體。該控制軟體可以加載到切齒機的相應的工具機控制中，用於在齒輪加工過程中執行本發明的方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]下面將參照附圖中顯示的實施例對本發明的優點和特性進行詳細描述，圖中:
[0020]圖1顯示了現有的數控切齒機；
[0021]圖2為從裝載門(loading door)開始的切齒機的內部工具機空間的部分示意圖；
[0022]圖3為從裝載側看到的工具機床身的立體示意圖；
[0023]圖4為具有已供應的環裝載機的切齒機的工具機空間的側視圖；及
[0024]圖5為圖4的相反側的立體示意圖。
【具體實施方式】
[0025]圖1顯示了現有的用於製造帶齒工件的數控(CNC)切齒機。這裡顯示的CNC切齒機具有已知的布局，因此不再詳細描述。不同的運動方向在用於範成或成形加工的數控銑床或磨床的立體示意圖中表示出來。圖中可以看到數控工具機的五個標準軸，它們被分為三個線性軸X1、ZU Vl以及三個旋轉軸Al、BI和C2。旋轉軸Al提供刀具的內部轉動，圖中未示出；旋轉軸BI負責使用的刀具的旋轉運動；而旋轉軸C2被指派給將要在工件工作檯7上加工的工件的旋轉運動，圖中同樣未示出。三個線性軸X1、Z1和Vl提供刀具的徑向運動(XI)、刀具的進給運動(Zl)和刀具的切向運動(VI)。
[0026]另外，圖中還顯示了一個靠背架(back rest)，其可以接管不同的功能，例如，可以集成副夾臂(a counter-holder arm)、環裝載機(a ring loader)等。旋轉軸C3適用於例如執行環裝載機的旋轉動作。
[0027]圖2顯示了工件12的切割加工過程中的工具機空間。從圖中可以看到，切割頭5支撐刀具架繞軸Al轉動。另外，切割頭5可以沿軸Zl的方向垂直進給從而實現刀具的進給運動，也可以沿軸Xl的方向水平地以線性方式進給從而實現刀具15的徑向運動。
[0028]圖3顯示了從裝載側看到的切齒機的內部空間，其中並未顯示自動監控器(automat1n)或者靠背架。從圖中可以看到，切割頭5以設定的擺角繞著軸Al轉動，以產生待加工工件的特定的斜切方向。由於工具機床身的尺寸較大，切割頭5和曳引機座7或工具機工作檯3之間的碰撞風險容易被發現。切割頭5包括具有驅動裝置8的主軸承17以及副軸承16(圖3)。設於主軸承和副軸承之間的工作心軸裝夾在加工頭床(machining headbed)中，切割頭15安裝在該心軸上，可繞軸BI旋轉。
[0029]工具機工作檯7支撐用於容納裝夾工件12的器具的工作檯板3。該器具被分為器具下部10和器具上部11，其從底部和頂部裝夾工件12。整個器具10、11可隨工件繞工件旋轉軸C2旋轉。器具上部11由反夾臂20控制，進而以可沿軸Z4方向線性移動的方式安裝在靠背架21上。
[0030]在圖示切齒機場景中，如果加工頭5繞軸Al轉動，或者，如果加工頭5在沿Vl方向偏移的最外側位置，使得副軸承16或主軸承17位於工件的旋轉軸C2的層面上，並且加工頭5在該位置沿著Xl方向或Zl方向向工件12進給，那麼刀具15的主軸承17或副軸承16和器具10、11之間碰撞的可能性將有所增大。
[0031]當加工頭5受待加工的齒輪12的切削方向的影響傾斜向內轉動到左側或右側時，加工頭5與工具機床身7或者工具機工作檯3之間也存在碰撞的風險。該位置取決於在工件12中加工齒的切削角(chamfering angle)和刀具15的俯仰方向。在這種情況中,Xl方向和Zl方向的進給也發揮著作用。工件12的工件直徑越小，加工頭5與工具機床身7或加床工作檯3之間發生碰撞的風險越大。
[0032]切齒機的各個可移動部件，即加工頭5 (包括刀具15以及軸承16、17和驅動8)、工具機工作檯7、工作檯板3、器具10、11、副夾臂20和副夾持插件(counter-holder insert) 22以及工件12被建模為用於實現碰撞監測的三維物體並考慮到三維空間的虛擬碰撞監測。為此，指定部件通過覆蓋相應的部件的外圍的包絡體建模。各個部分部件被建模的解析度或精度取決於各個部件之間可能造成碰撞的間距。如果加工頭5例如原理工具機工作檯或者所述工作檯板設定距離，那麼碰撞監測能夠採用簡化的包絡函數，以較小的精確度工作，該包絡函數忽略了加工頭或者其他部分部件的精細結構方面。加工頭5越靠近工作檯板3或者工具機工作檯7，各個部件的建模就需要更精確，從而能夠識別出可能的碰撞。
[0033]另外，必須區分指定部件的哪些部分可能與其它部分碰撞或者可能不碰撞。這特別關於刀具15，刀具15和工件12自然相互嚙合並且可以不進行碰撞識別。因此，在加工頭5建模時，需要區分加工頭的刀具部分15和軸承16、17或者驅動8。然而，刀具15與除了工件12以外的其他工具機部分的碰撞必須被識別和阻止。
[0034]圖4顯示了帶有靠背架21的工具機空間，其承載有一個所謂的環裝載機。這裡的環裝載機具有能夠通過匹配的夾持插件22夾持待加工的工件的夾臂23，並能夠在齒輪加工過程中自動執行工件的轉換。在這方面，當加工頭5沿Vl方向移動時，加工頭5的主軸承17和副軸承16與夾臂23的夾持插件22之間的碰撞可能同樣有所增大。因此，環裝載機的夾持插件22和夾臂23被建模為虛擬3D物體並考慮了碰撞監測。
[0035]圖5顯示了相反側的工具機空間，其中可以看到，加工頭5的軸承16、17在平移運動中可能與夾持插件22碰撞。
[0036]如前所述，關於各個可調整工具機部件的工具機參數必須手動輸入到程控齒輪加工過程的工具機控制中。為了減小這些輸入錯誤的可能，切齒機具有觸敏顯示屏，用於齒輪加工過程開始之前所要求的工具機配置。這裡的工具機控制允許指定工具機部件和/或切齒機的加工過程的虛擬三維畫面。因此，工具機能夠通過在顯示單元上的圖形建模為用戶提供為實際被調整的工具機部件建模的可能，工具機部件即刀具15、器具10、11、工件12、包括夾臂12、23以及夾持插件22的環裝載機等。然後，工具機控制所需要的參數直接從預先建立的模型中採集得到並提供給工具機控制的齒輪切割加工。所要求的控制配置也可以類似地進行，不再通過輸入純數值，而是可視地基於圖形建模。虛擬畫面所要求的工具機部件的原始數據可以立即被用於碰撞監測。
[0037]圖形建模和顯示單元上的畫面使得用戶能夠對他/她的輸入進行視覺監控。因此用戶能夠比較顯示單元上的預設的圖形模型和實際設置的工具機零件，從而發現並預先避免明顯的錯誤。額外的計算步驟被完全去除。該過程大大減小了不正確的手動輸入的可能性。
[0038]用戶可以通過與控制屏或者顯示單元交互來精確匹配圖形建模和實際使用的工具機部件。理想地，至少一個工具機零件的圖形表示通過工具機控制的渲染過程計算。為此，所需要的原始數據或場景信息被存儲在切齒機的資料庫中。
[0039]在該方法的一個優選實施例中，渲染過程實時進行，底層場景可以由操作員交互改變。操作員可以通過用戶輸入交互式地例如改變視角和畫面的縮放，基於計算機的模型的計算實時進行並且立即顯示在顯示單元上。
[0040]該顯示單元有利地是觸控的，特別是多點觸控的，這樣操作員能夠通過觸摸顯示單元來改變圖形化建模的工具機零件的背景。優選採用多點觸控顯示單元，從而背景可以通過各種多觸點手勢進行交互式改變。
[0041]用戶可以使用切齒機的資料庫為至少一個工具機零件圖形化建模。工具機零件例如器具10、11或工作心軸能夠由多個不同的部件構成。為用戶提供了選擇選項，用來虛擬地構成設立的工作心軸。為此，資料庫為用戶提供了多種類型的心軸，這些心軸可以配置合適的刀具以及定距套等。用戶可以採用該資料庫按比例為任何實際的工作心軸進行圖形化建模。工具機控制的控制相關參數自動從圖形化建模中得到並提供給工具機控制，從而不再需要對使用的工具機零件進行切齒機的手動配置。
[0042]除了用戶純粹的可視合理控制，圖形化建模的虛擬的合理控制可以通過工具機控制在背景中產生。這裡需要校驗和監測用戶的輸入即圖形化建模是否是合理的，並且在後續的齒輪切削加工中不會引起不正確的行為或者碰撞。例如，在考慮用於齒輪切削的計劃的加工程序時，和/或，在考慮工具機零件的組裝部件時，和/或，在考慮能夠組成的其他工具機零件時，可以進行虛擬合理控制。監測工作心軸是否由優選的零件部件構成是可以想到的。還可以監測工件裝夾所需要的器具是否為計劃的加工而被調整或配置。
[0043]工具機控制可以顯示合理控制的結果並選擇性地輸出警告信息，並且能夠迫使工具機在緊急狀態下停止。
[0044]還可以想到的是，工具機零件或者工具機零件的至少一個獨立的部件的圖形化建模能夠通過用戶輸入修改。因此，用戶不僅能從資料庫中選擇單獨的工具機零件或者工具機零件的部件，還能通過用戶實時輸入單獨為它們建模或修改他們，特別是關於他們的幾何尺寸、他們的布置、位置或相對於其他工具機零件的部件的對準等。工具機零件或工具機零件的部件的可能的屬性也可以修改和改寫。這特別適用於實際使用的工具機零件部件，在使用不同的刀具時，可以通過用戶輸入改變他們的齒輪數量、齒數等。
[0045]該資料庫可以通過相應的接口進行擴展，特別是通過工具機零件或者工具機零件部件上的補充入口。這同樣可以應用於渲染過程所需要的原始數據。
【權利要求】
1.一種控制切齒機的方法，所述切齒機具有至少一個用於在裝夾在工具座上的工件中切削齒輪的刀具，其特徵在於，所述工具機控制在齒輪切削加工過程中進行三維碰撞監測。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，指定的工具機部件，特別是可調整的工具機部件被建模為三維物體，用於碰撞監測，並且優選監測虛擬三維物體的運動例程中他們彼此之間的距離。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，包絡覆蓋在工具機部件上，用於指定工具機部件的虛擬三維建模。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，工具機部件的三維建模的解析度由與至少一個另外的工具機零件的距離決定，所述解析度優選隨著距離的減小而增大。
5.根據前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，被建模的工具機部件為一個或多個刀具、具有安裝在心軸上的刀具的工作軸、加工頭、用於裝夾工件的器具、工件、工具機工作檯、工具機床身、環裝載機、夾臂、夾持插件等。
6.根據前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，採用所述工具機部件的將來的運動參數監測碰撞，從而實現預測碰撞監測。
7.根據前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，所述碰撞監測在CNC控制的齒輪切削過程中和/或在手動控制的齒輪切削過程中和/或在工件更換的過程中和/或刀具更換的過程中進行。
8.根據前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，如果碰撞出現和/或識別出碰撞的風險，所述齒輪切削加工被停止，其中，可選輸出關於碰撞類型的警報。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於，所述警報是顯示單元上顯示的碰撞情況的可視圖形畫面，特別是受影響的工具機部件的三維圖形畫面。
10.根據前述權利要求任一項所述的方法，其特徵在於，所述碰撞監測能夠離線進行，以在工具機調整後和齒輪切削加工之前識別可能發生的碰撞。
11.一種切齒機，具有用於實現前述權利要求任一項所述的方法的工具機控制。
12.存儲在數據載體上的用於實現如權利要求1-10任一項所述的方法的控制軟體。
【文檔編號】G05B19/406GK104460519SQ201410497355
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月12日 優先權日:2013年9月13日
【發明者】弗洛裡安·舒昂 申請人:利勃海爾-齒輪技術有限責任公司