專利名稱：加工工藝的自適應控制的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在執行金屬切削工藝的機床中作為刀具相對于工件位置的函數來確定可調自適應控制設定點的方法。
背景技術：
自適應控制通常涉及一種特殊類型控制系統，其能夠修改其算法，以更好地調整具有時變或不確定動態的物理系統。該系統通常使用高級非線性反饋或前饋的方案，并且 常常包括某種技術學習，因此，該控制分析集體反饋，并且隨著時間流逝而提高系統性能。然而，在機床行業中，自適應控制涉及一種相對簡單的策略，因此為了維持恒定負載，機床控制根據刀具主軸反饋(通常例如為總功率、扭矩或電流)來調整加工進給速度。自適應控制是在工藝過程中觀察功率水平并且向上或向下設置地調整進給速度倍率(override)以維持期望的功率水平的人類操作員的自動化等效物。當然，自適應控制系統比人類更可靠并且以更快的反應時間執行該功能。在機床領域已知自適應控制幾十年。當前，可通過大多數計算機數字控制機床(CNC)生產商或許多其他所謂的第三方供應商市售獲得自適應控制系統。機床用戶的益處包括在工件材料、刀具條件或其他工藝條件隨時間變化的情況下，更大的工藝穩定性；較少的刀具危險性和工件損傷；較少需要人類干預；以及較少的設置和工藝優化方面的努力。在加工工藝過程中，自適應控制系統常常開啟或關閉，并且通常允許用戶在一個周期內對不同刀具或加工操作編程不同的設定點數值，諸如將對具有自動換刀裝置的通用加工中心有利。假設在加工工藝過程中，關鍵工藝條件，諸如接觸工件的刀具的嚙合長度或面積、冷卻劑應用等等都是相對恒定的，大的刀具主軸功率就產生合理的工藝健康情況測量值。在該情況下，目前的自適應控制系統提供上述益處。圖I示出代表典型自適應控制系統的方框圖。設定點功率為主命令輸入，將其與從該工藝測量到的功率比較。視需要，計算、過濾命令功率和反饋功率之間的差異，并且將其送給至自適應控制模塊。自適應控制系統的輸出為進給速度的倍率，其用于實時修改零件的加工進給速度，以便盡可能接近經編程設定點地調節實際加工工藝的功率。圖2示出簡化的自適應控制函數，其能夠在圖I的“自適應控制”模塊中實施該函數。該函數將應用于至少一種刀具或加工周期的操作。在該圖中，沿水平軸線指出系統測量的總功率。沿垂直軸線給出進給速度倍率輸出值。在經編程的設定點數值Po，進給速度倍率輸出值為100%。隨著加工功率增大，例如由于工件材料中的硬點或刀具鋒利性能降低，系統降低進給速度。隨著測量到的功率變大，系統提高倍率百分比。圖2中所示的自適應控制函數為直線，但是其不必如此。如圖中所示，典型的自適應控制系統允許用戶指定進給速度倍率的上限和下限。自適應控制在齒輪制造工藝中(諸如錐齒輪磨削、錐齒輪切削以及桿刃(stickblade)磨削)還未被廣泛接受。主要原因在于，在錐齒輪制造工藝中，工件中的刀具嚙合度連續地變化。將總功率控制為恒定水平將在磨削輪中產生每一粒度的動態變化負載(或在切削刀具中的每一單位切削刃長度的負載)，因此，工藝最優化尋求發現每一粒度的最高恒定負載(或切削刀具中的每一單位切削刃長度)。因此，為有效起見，測量刀具主軸功率的自適應控制系統將另外要求刀具嚙合的信息。然而，已知的自適應控制系統不能直接測量和處理該另外的信息，所以不能在錐齒輪應用中提供正常期待的益處。 在錐齒輪制造的應用中，一種在已知自適應控制系統的限制值附近作業的方法將把加工周期分為具有不同自適應控制設定點數值的若干個小段。該方法將對錐齒輪有效， 但是除了反復試驗以計算不同的設定點數值外，不存在已知方法。因而，自適應控制系統將對每一零件外形都要求耗時和冗長的微調，并且要求操作者有高度的專業技術，因而不利于自適應控制的目的。在本領域中也已知模擬軟件系統，其最優化刀具路徑，力圖穩定刀具負載。該系統知道工件中的刀具嚙合的信息，所以能夠在零件加工程序中做出刀具路徑(切削的深度和角度)以及進給速度調整，以便維持恒定負載。該模擬系統的限制在于，它們不實時工作，因而不能補償典型的制造環境的變化，諸如刀具磨損、刀具或工件的材料和外形變化，以及由于人員變化的機床設置改變。另一問題在于，已知模擬系統僅能夠對使用具有限定切削刃的工藝來最優化刀具路徑，即該軟件缺乏處理未限定刀具刃的材料切除工藝諸如磨削的能力。
發明內容
本發明涉及作為刀具相對于工件位置的函數來確定期望的功率水平，因此使得自適應控制能夠具有先前諸如磨削錐齒輪之類的從固體加工難以達到的優點。優選地，設定點功率(set point power)表達為比功率和展成齒輪的滾動位置的函數,或者表達為比功率和非展成(例如，成型)齒輪的切入位置(plunge position)。限定比功率，并且優選將其在加工過程中按所限定的保持，即使在加工過程中工藝條件變化也是如此。
圖I示出傳統的自適應控制系統。圖2示出典型的自適應控制功能。圖3示出預切錐齒輪的硬精加工磨削的滾動速度圖的例子。圖4示出錐齒輪的從固體磨削的滾動速度圖的例子。圖5示出錐齒輪的從固體磨削中的工件小端處的初始刀具-工件嚙合。圖6示出錐齒輪的從固體磨削中約30%完成滾動路徑的刀具工件嚙合。圖7示出錐齒輪的從固體磨削中約60%完成滾動路徑的刀具工件嚙合。圖8示出錐齒輪的從固體磨削中約90%完成滾動路徑的刀具工件嚙合。圖9示出根據本發明的自適應控制系統。
圖10的圖形表示指定功率P’、指定金屬切除率Z’以及各種工藝條件之間的關系。圖11的圖形表示刀具接觸寬度的計算。圖12的圖形表示設定點功率的計算。
具體實施例方式在詳細解釋本發明的任何特征和至少一種構造之前，應理解，本發明的應用不限于在以下說明中提出或在附圖中示出的結構和組件布置的細節。本發明能夠為其他結構，并且能夠以各種方式實踐或執行。同樣地，應理解，本文使用的措辭和術語是為了說明，不因將其視為限制。通常通過在計算機控制的機床上執行的非展成和/或展成加工工藝制造錐齒輪，諸如US 6，669，415或US 6，712，566中公開的那些機床，其全部公開內容包含在此以供參 考。在非展成工藝(例如，利用圓盤端面銑削刀具或杯型磨削輪)中，通過以下方式形成齒槽，即，將旋轉刀具進給至工件中預定深度，抽出刀具，以及將工件分度至另一(通常是下一)齒槽位置。重復進給、抽出和分度的步驟，直到形成所有齒槽。直接由刀具上的輪廓形狀產生工件上的齒的輪廓形狀。可執行展成工藝，其中一旦將刀具(例如，圓盤端面銑刀或杯型磨削輪)進給至預定深度，就能在稱為展成滾動或搖臺滾動(cradle roll)的預定相對滾動運動中，使刀具和工件一起滾動，仿佛工件嚙合一個理論上的展成齒輪而滾動一樣，理論上的展成齒輪的齒由刀具的切削表面來表現。齒輪齒的輪廓表面通過展成滾動過程中的刀具和工件的相對運動形成。對每個齒槽重復進給、滾動、抽出和分度步驟，直到形成所有齒槽。從固體磨削錐齒輪正變得日益普遍。對于小批量生產，設置時間對制造經濟性是非常關鍵的。與傳統的圓盤錐齒輪切削刀具不同，易于以短引導時間獲得磨削輪，并且可使其輪廓快速形成期望的外形。因而，相對于設置經濟性而言，磨削非常有利。由于研磨技術的新發展，現在可通過磨削實現接近于用切削實現的材料切除率。這兩種因素的凈效應是，在更多種情況下，與傳統切削工藝相比，從固體磨削更經濟。除了短運行工藝的經濟性外，針對生產少量磨齒齒輪組的許多齒輪制造商還發現切削和磨削機床的所有權昂貴得驚人。對于這些制造商，從固體磨削可提供有吸引力的手段，不需要大規模的投資就能執行半精加工和硬精加工操作。對于精磨削硬化的齒輪更是如此，在從固體磨削錐齒輪的過程中，刀具嚙合條件徑向地變化。在本文中，刀具嚙合的意思是部分刀具橫截面輪廓嚙合工件，以及在刀具旋轉方向上的刀具-工件接觸長度。由于該原因，難以設置工藝條件，以獲得盡可能最激進的材料切除而不導致刀具磨損、燒刃或其他問題。現有技術用于展成齒輪的從固體磨削的周期通常布置在兩個或三個旋轉中，其中在每個旋轉中，都通過相對于搖臺滾動位置曲線的非標準搖臺滾動速度來磨削齒槽。為了處理徑向變化的刀具嚙合條件，進給速度曲線通常包括幾個坡段。對于每個旋轉，進給速度曲線通常都不同。應理解，在本發明的背景下，當已從每個齒槽切除特定量的原材料時，就實現了工件的“一個旋轉”。例如，第一磨削旋轉可能從每個齒槽切除80%的期望原材料，而后來的第二磨削旋轉可能從每個齒槽切除20%的期望原材料。例如，三個旋轉磨削周期可能以相繼的60%、30%和10%的量從所有齒槽切除原材料。
圖3中的點線示出適合硬精加工展成齒輪的典型進給速度曲線的例子。將不會在實際加工的過程中發生以(I)和(3)表示的加速和減速部段。在磨削輪接觸工件時，搖臺滾動速度曲線為恒定函數，即部段(2)。也在圖3中繪出代表性的齒輪齒面，以示出搖臺滾動位置與齒輪齒面的關系。為了表述相對復雜性，圖4示出與圖3中相同的齒輪的從固體磨削周期的一個旋轉的典型滾動速度曲線的例子。由于在從固體磨削的情況下缺乏半精加工齒槽(至少第一旋轉)，所以要求另外的搖臺滾動行程，這是因為由于缺乏半精加工齒槽，在從固體磨削工藝中較早發生刀具-工件接觸。這就解釋了為什么相對硬精加工的例子(圖3)，從固體磨削的例子(圖4)存在約大于20°的小端滾動。分別以(I)和(5)表示加速和減速部段。加工材料，以在部段(2)- (4)中形成錐齒輪槽。這些部段以這樣的方式傾斜，即，使每一磨削輪粒度都產生合理的恒定負載。目前，可能稍微優化從固體磨削的應用，諸如通過確定合理成功的搖臺速度曲線來實現優化。然而，優化工藝是手動工藝，其極大程度上取決于操作者的知識，并且非常耗時。此外，周期條件是與工作相關的，所以實際上，對于每一不同齒輪外形，都需要執行冗長 的優化工藝。除了麻煩的初始設置外，制造環境變化可能要求對較早時間優化的循環重新作微調。在具有小批量和大量工作的生產環境中，所有這些因素都非常有問題的，確切地說對從固體磨削有優勢的那一類齒輪生產商尤其如此。如上所述，直接應用自適應控制將不能改善從固體磨削錐齒輪的情況。原因在于，自適應控制不具有動態變化的刀具嚙合條件的信息。對于從固體磨削工藝而言，非常期望有一種更耐用、較少操作者知識密集型設置、優化和監控的方法。如上所述，本發明涉及作為刀具相對工件位置的函數來確定期望的功率水平，因此使得自適應控制有以前對加工諸如從固體磨削錐齒輪應用難以達到的優點。優選地，將設定點函數表達為展成齒輪的滾動位置的函數，或者非展成(成型法)齒輪的切入位置(plunge position)的函數。可結合自適應控制系統使用該函數，以便可提高傳統的從固體磨削工藝，以特別提供·更簡單和更快的工藝優化·更短設置時間·較少需要操作者知識 較少需要人類干預·對具有大量工作的小批量生產尤其有利的更大耐用性和/或穩定性。在從固體磨削的應用中，工件中的刀具嚙合度隨著加工齒槽變化。能夠根據接觸寬度的變化來量化該嚙合變化，其中接觸寬度定義為在給定時間點，接觸錐齒輪槽表面的刀具橫截面的有效寬度。圖5-8示出典型的從固體磨削情況下的刀具嚙合的變化，其中從齒槽的小端到齒槽的大端磨削齒輪槽。在圖5中示出接近機床搖臺滾動運動開始的杯型輪相對工件的位置。為了清晰起見，未在圖6-8的連續滾動位置中示出該輪。在每幅圖中，都示出刀具輪廓的橫截面，其示出此刻刀具輪廓的嚙合工件的有效部分。將橫截面圖中的刀具輪廓嚙合長度視為接觸寬度。雖然刀具和工件的瞬時接觸通常發生在繞刀具軸線變化的位置，但是可將該接觸視為就像發生在單一橫截面平面中。這是不影響物理意義的通常可接受簡化。
能夠作為刀具相對工件位置的函數來計算接觸寬度。在展成錐齒輪的情況下，相對的刀具/工件位置等于搖臺滾動位置。因此，能夠概括地將該函數表達為Wzf1(Q)⑴其中W=有效接觸寬度Q=搖臺滾動位置實踐中，可通過能計算錐齒輪機床設置的相同或類似的程序獲得該函數，本領域技術人員已知并且易于獲得該程序。本發明的主要目標是作為刀具相對于工件位置的函數來確定自適應控制設定點的功率，以便能夠將刀具上的標準化負載保持在恒定、最大水平。另一目標在于，提供一種不取決于復雜、多變工藝模型的可靠的磨削工藝的改進。為了實現這些目標，本發明優選利用特定功率或稱比功率(specific power),其為通常用于評價磨削工藝健康情況和最優化·工藝的磨削特性。將以P’表示的比功率定義為由磨削輪至工件的接觸寬度來加以標準化的功率。其為磨削工藝性能的量度，并且其可用于構造磨削工藝，以盡可能激進地切除材料，同時避免諸如熱損害或過度輪磨損這樣的問題。可將功率和比功率的關系表達為P=f2(P，，W)(2)可以選擇比功率值P’以獲得高性能磨削工藝，并且可作為搖臺滾動位置的函數來確定接觸寬度。組合這些事實允許函數派生，于是獲得作為滾動位置的函數的期望的功率水平。換句話說，p=f2 (P，，w)，并且ff=f! (Q)，所以P=f2 (P，，(Q)) =f2 (P，，Q)⑶圖9示出如何將該函數與自適應控制系統相聯系，以提供從固體磨削的有效解決方案。圖10示出可如何對從固體磨削的工藝選擇目標比功率值。在圖10中，結合代表不同工藝條件(例如，磨削輪、輪速、修整參數、刀具-工件接觸長度、刀具-工件接觸寬度、刀具-工件接觸面積、等效切屑厚度、其他刀具-工件接觸條件、冷卻劑施加條件等等)的特性曲線(A、B、C)，相對特定金屬切除率Z’示出比功率值Pc/、P/、P2’，本領域技術人員應明白上述這些工藝條件。Pc/代表用于保持可靠的從固體磨削工藝的特定目標值P/，而比功率水平P/以上的面積表示過量的輪磨損，而比功率水平P2’以上的面積表示對磨削輪和/或被磨削零件的熱損傷。能夠看出，隨著工藝條件的變化(即，從A至B至C)，特定的金屬切除率V能夠增大，同時能保持期望的比功率值Pc/。圖11示出對特定齒輪計算的接觸寬度函數的例子。圖12示出可用于進給自適應控制的結果功率函數的例子。圖12也示出本發明方法產生的實際功率曲線的例子。表示通過自適應控制和函數P=f2(Pc/，W)進行從固體磨削過程中所保持的實際功率。雖然上述本發明的方法使用比功率和接觸寬度以提供最優化自適應控制系統，但是也可以可替換地通過接觸面積來使比功率的度量標準化。在該情況下，由面積標準化的比功率度量由P”和面積A表示。該功率函數是以類似于上述根據接觸寬度確定功率函數的方式來確定的。因而，在從固體展成磨削應用的上述例子中，方程式(I)、(2)和(3)分別變為A=f3 (Q)(4)p=f4(p”，A)(5)
P=f4 (P ”，f3 (Q)) =f (P ”，Q) (6)由面積標準化的功率度量包括對有效接觸長度的考慮，因而可對一些應用提供有利條件。本發明的上述說明建議了一種方法，其選擇單一的P’或P”值來用于功率計算函數。雖然這可能在許多應用中實用并且充分，但是本發明也包括在刀具路徑上改變目標比功率的可能性。這可能具有優點，例如在困難的展成齒輪磨削的情況下，其中作為展成滾動位置的函數，冷卻劑應用的有效性明顯不同。也可將上述說明應用于成形磨削(非展成)齒輪。在成形磨削的情況下(參見圖3-4和11-12)，切入速度和切入深度位置代替搖臺滾動速度和搖臺位置(搖臺角度)。雖然與相應的硬精加工和從固體磨削情況的滾動速度曲線相比，切入速度曲線具有不同的形狀，但是可應用相同的改變工藝條件的原理。
本發明的優選應用是從固體磨削錐齒輪。應理解，術語“錐齒輪”包括橫跨非平行軸傳遞旋轉能量的所有已知類型的小齒輪和齒輪，包括螺旋錐齒輪、準雙曲面齒輪、零度角螺旋錐齒輪(例如，零度錐齒輪)和直齒錐齒輪設計。從固體磨削涉及這樣的工藝，利用該工藝，通過磨削在軟的齒輪坯中形成全部齒槽。最普通的是在熱處理前，作為半精加工工藝來執行從固體磨削。在涉及小批量的情況下，或者不易獲得切削刀具和/或切削機床的情況下，從固體磨削能夠比傳統切削工藝更經濟。雖然從固體(例如，齒輪坯)磨削是本發明的優選應用，但是本發明也考慮磨削預先切槽的硬齒輪。此外，本發明也適用于其它與齒輪相關的工藝，諸如切削刃和切削刃坯(例如桿刃磨削)和錐齒輪切削。雖然已參考優選實施例描述了本發明，但是應理解，本發明不限于其細節。本發明有意包括對本領域技術人員顯而易見的、屬于本主題、不偏離附加權利要求的精神和保護范圍的更改。
權利要求
1.一種利用刀具通過機加工從工件切除原材料的方法，所述方法包括 限定所述方法的比功率； 使所述工件和所述刀具嚙合； 從所述工件切除原材料，因此雖然加工工藝條件在所述加工過程中變化，但是所述比功率在所述加工過程中本質上按所限定的保持。
2.根據權利要求I所述的方法，其中變化的加工工藝條件是刀具與工件的接觸寬度。
3.根據權利要求I所述的方法，其中變化的加工工藝條件是刀具與工件的接觸面積。
4.根據權利要求I所述的方法，其中所述工件包括齒輪坯或預切槽齒輪。
5.根據權利要求I所述的方法，其中所述加工方法為展成法。
6.根據權利要求I所述的方法，其中所述加工方法為非展成法。
7.根據權利要求I所述的方法，其中所述加工方法包括磨削。
8.根據權利要求I所述的方法，其中所述加工方法包括切削。
9.根據權利要求I所述的方法，其中所述比功率在所述加工過程中是恒定的。
10.根據權利要求I所述的方法，其中所述比功率在所述加工過程中是變化的。
11.根據權利要求I所述的方法，其中所述工件包括切削刀片或切削刀片坯。
12.根據權利要求5所述的方法，其中對展成加工方法而言，將所述加工的功率水平(P)定義為 P=f(P，，W)=f(P，，Q) 其中P’ =比功率 W=接觸寬度 Q=搖臺滾動位置。
13.根據權利要求5所述的方法，其中對展成加工方法而言，將所述加工的功率水平(P)P=f(P，，，A) =f(P，，，Q) 其中P”=比功率 A=接觸面積 Q=搖臺滾動位置。
全文摘要
一種作為刀具相對工件位置的函數來確定期望功率水平(P)的方法，因此使得自適應控制具有先前諸如磨削錐齒輪之類的從固體加工所難以達到的優點。優選地，將設定點功率表達為比功率(P’、P”)和展成齒輪的滾動位置(Q)的函數，或者表達為比功率和非展成(即成型)齒輪的切入位置的函數。限定比功率，并且優選將其在加工過程中按所限定的保持，即使加工過程中的工藝條件變化也是如此。
文檔編號G05B19/416GK102905847SQ201180026197
公開日2013年1月30日 申請日期2011年6月6日 優先權日2010年6月4日
發明者E·G·穆恩特, R·F·小卡伯特 申請人:格里森工場