CN102905847B - 加工工艺的自适应控制 - Google Patents

Abstract

一种作为刀具相对工件位置的函数来确定期望功率水平（P）的方法，因此使得自适应控制具有先前诸如磨削锥齿轮之类的从固体加工所难以达到的优点。优选地，将设定点功率表达为比功率（P’、P”）和展成齿轮的滚动位置（Q）的函数，或者表达为比功率和非展成（即成型）齿轮的切入位置的函数。限定比功率，并且优选将其在加工过程中按所限定的保持，即使加工过程中的工艺条件变化也是如此。

Description

加工工艺的自适应控制

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年6月4日提交的美国临时专利申请No.61/351,635的权益，其全部公开内容包含在此以供参考。

技术领域

本发明涉及一种在执行金属切削工艺的机床中作为刀具相对于工件位置的函数来确定可调自适应控制设定点的方法。

背景技术

自适应控制通常涉及一种特殊类型控制系统，其能够修改其算法，以更好地调整具有时变或不确定动态的物理系统。该系统通常使用高级非线性反馈或前馈的方案，并且常常包括某种技术学习，因此，该控制分析集体反馈，并且随着时间流逝而提高系统性能。

然而，在机床行业中，自适应控制涉及一种相对简单的策略，因此为了维持恒定负载，机床控制根据刀具主轴反馈（通常例如为总功率、扭矩或电流）来调整加工进给速度。自适应控制是在工艺过程中观察功率水平并且向上或向下设置地调整进给速度倍率（override）以维持期望的功率水平的人类操作员的自动化等效物。当然，自适应控制系统比人类更可靠并且以更快的反应时间执行该功能。

在机床领域已知自适应控制几十年。当前，可通过大多数计算机数字控制机床（CNC）生产商或许多其他所谓的第三方供应商市售获得自适应控制系统。机床用户的益处包括：在工件材料、刀具条件或其他工艺条件随时间变化的情况下，更大的工艺稳定性；较少的刀具危险性和工件损伤；较少需要人类干预；以及较少的设置和工艺优化方面的努力。

在加工工艺过程中，自适应控制系统常常开启或关闭，并且通常允许用户在一个周期内对不同刀具或加工操作编程不同的设定点数值，诸如将对具有自动换刀装置的通用加工中心有利。假设在加工工艺过程中，关键工艺条件，诸如接触工件的刀具的啮合长度或面积、冷却剂应用等等都是相对恒定的，大的刀具主轴功率就产生合理的工艺健康情况测量值。在该情况下，目前的自适应控制系统提供上述益处。

图1示出代表典型自适应控制系统的方框图。设定点功率为主命令输入，将其与从该工艺测量到的功率比较。视需要，计算、过滤命令功率和反馈功率之间的差异，并且将其送给至自适应控制模块。自适应控制系统的输出为进给速度的倍率，其用于实时修改零件的加工进给速度，以便尽可能接近经编程设定点地调节实际加工工艺的功率。

图2示出简化的自适应控制函数，其能够在图1的“自适应控制”模块中实施该函数。该函数将应用于至少一种刀具或加工周期的操作。在该图中，沿水平轴线指出系统测量的总功率。沿垂直轴线给出进给速度倍率输出值。在经编程的设定点数值P₀，进给速度倍率输出值为100%。随着加工功率增大，例如由于工件材料中的硬点或刀具锋利性能降低，系统降低进给速度。随着测量到的功率变大，系统提高倍率百分比。图2中所示的自适应控制函数为直线，但是其不必如此。如图中所示，典型的自适应控制系统允许用户指定进给速度倍率的上限和下限。

自适应控制在齿轮制造工艺中（诸如锥齿轮磨削、锥齿轮切削以及杆刃（stickblade）磨削）还未被广泛接受。主要原因在于，在锥齿轮制造工艺中，工件中的刀具啮合度连续地变化。将总功率控制为恒定水平将在磨削轮中产生每一粒度的动态变化负载（或在切削刀具中的每一单位切削刃长度的负载），因此，工艺最优化寻求发现每一粒度的最高恒定负载（或切削刀具中的每一单位切削刃长度）。因此，为有效起见，测量刀具主轴功率的自适应控制系统将另外要求刀具啮合的信息。然而，已知的自适应控制系统不能直接测量和处理该另外的信息，所以不能在锥齿轮应用中提供正常期待的益处。

在锥齿轮制造的应用中，一种在已知自适应控制系统的限制值附近作业的方法将把加工周期分为具有不同自适应控制设定点数值的若干个小段。该方法将对锥齿轮有效，但是除了反复试验以计算不同的设定点数值外，不存在已知方法。因而，自适应控制系统将对每一零件外形都要求耗时和冗长的微调，并且要求操作者有高度的专业技术，因而不利于自适应控制的目的。

在本领域中也已知模拟软件系统，其最优化刀具路径，力图稳定刀具负载。该系统知道工件中的刀具啮合的信息，所以能够在零件加工程序中做出刀具路径（切削的深度和角度）以及进给速度调整，以便维持恒定负载。该模拟系统的限制在于，它们不实时工作，因而不能补偿典型的制造环境的变化，诸如刀具磨损、刀具或工件的材料和外形变化，以及由于人员变化的机床设置改变。另一问题在于，已知模拟系统仅能够对使用具有限定切削刃的工艺来最优化刀具路径，即该软件缺乏处理未限定刀具刃的材料切除工艺诸如磨削的能力。

发明内容

本发明涉及作为刀具相对于工件位置的函数来确定期望的功率水平，因此使得自适应控制能够具有先前诸如磨削锥齿轮之类的从固体加工难以达到的优点。优选地，设定点功率（setpointpower）表达为比功率和展成齿轮的滚动位置的函数，或者表达为比功率和非展成（例如，成型）齿轮的切入位置（plungeposition）。限定比功率，并且优选将其在加工过程中按所限定的保持，即使在加工过程中工艺条件变化也是如此。

附图说明

图1示出传统的自适应控制系统。

图2示出典型的自适应控制功能。

图3示出预切锥齿轮的硬精加工磨削的滚动速度图的例子。

图4示出锥齿轮的从固体磨削的滚动速度图的例子。

图5示出锥齿轮的从固体磨削中的工件小端处的初始刀具-工件啮合。

图6示出锥齿轮的从固体磨削中约30%完成滚动路径的刀具工件啮合。

图7示出锥齿轮的从固体磨削中约60%完成滚动路径的刀具工件啮合。

图8示出锥齿轮的从固体磨削中约90%完成滚动路径的刀具工件啮合。

图9示出根据本发明的自适应控制系统。

图10的图形表示指定功率P’、指定金属切除率Z’以及各种工艺条件之间的关系。

图11的图形表示刀具接触宽度的计算。

图12的图形表示设定点功率的计算。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何特征和至少一种构造之前，应理解，本发明的应用不限于在以下说明中提出或在附图中示出的结构和组件布置的细节。本发明能够为其他结构，并且能够以各种方式实践或执行。同样地，应理解，本文使用的措辞和术语是为了说明，不因将其视为限制。

通常通过在计算机控制的机床上执行的非展成和/或展成加工工艺制造锥齿轮，诸如US6,669,415或US6,712,566中公开的那些机床，其全部公开内容包含在此以供参考。在非展成工艺（例如，利用圆盘端面铣削刀具或杯型磨削轮）中，通过以下方式形成齿槽，即，将旋转刀具进给至工件中预定深度，抽出刀具，以及将工件分度至另一（通常是下一）齿槽位置。重复进给、抽出和分度的步骤，直到形成所有齿槽。直接由刀具上的轮廓形状产生工件上的齿的轮廓形状。

可执行展成工艺，其中一旦将刀具（例如，圆盘端面铣刀或杯型磨削轮）进给至预定深度，就能在称为展成滚动或摇台滚动（cradleroll）的预定相对滚动运动中，使刀具和工件一起滚动，仿佛工件啮合一个理论上的展成齿轮而滚动一样，理论上的展成齿轮的齿由刀具的切削表面来表现。齿轮齿的轮廓表面通过展成滚动过程中的刀具和工件的相对运动形成。对每个齿槽重复进给、滚动、抽出和分度步骤，直到形成所有齿槽。

从固体磨削锥齿轮正变得日益普遍。对于小批量生产，设置时间对制造经济性是非常关键的。与传统的圆盘锥齿轮切削刀具不同，易于以短引导时间获得磨削轮，并且可使其轮廓快速形成期望的外形。因而，相对于设置经济性而言，磨削非常有利。由于研磨技术的新发展，现在可通过磨削实现接近于用切削实现的材料切除率。这两种因素的净效应是，在更多种情况下，与传统切削工艺相比，从固体磨削更经济。

除了短运行工艺的经济性外，针对生产少量磨齿齿轮组的许多齿轮制造商还发现切削和磨削机床的所有权昂贵得惊人。对于这些制造商，从固体磨削可提供有吸引力的手段，不需要大规模的投资就能执行半精加工和硬精加工操作。

对于精磨削硬化的齿轮更是如此，在从固体磨削锥齿轮的过程中，刀具啮合条件径向地变化。在本文中，刀具啮合的意思是部分刀具横截面轮廓啮合工件，以及在刀具旋转方向上的刀具-工件接触长度。由于该原因，难以设置工艺条件，以获得尽可能最激进的材料切除而不导致刀具磨损、烧刃或其他问题。现有技术用于展成齿轮的从固体磨削的周期通常布置在两个或三个旋转中，其中在每个旋转中，都通过相对于摇台滚动位置曲线的非标准摇台滚动速度来磨削齿槽。为了处理径向变化的刀具啮合条件，进给速度曲线通常包括几个坡段。对于每个旋转，进给速度曲线通常都不同。

应理解，在本发明的背景下，当已从每个齿槽切除特定量的原材料时，就实现了工件的“一个旋转”。例如，第一磨削旋转可能从每个齿槽切除80%的期望原材料，而后来的第二磨削旋转可能从每个齿槽切除20%的期望原材料。例如，三个旋转磨削周期可能以相继的60%、30%和10%的量从所有齿槽切除原材料。

图3中的点线示出适合硬精加工展成齿轮的典型进给速度曲线的例子。将不会在实际加工的过程中发生以（1）和（3）表示的加速和减速部段。在磨削轮接触工件时，摇台滚动速度曲线为恒定函数，即部段（2）。也在图3中绘出代表性的齿轮齿面，以示出摇台滚动位置与齿轮齿面的关系。

为了表述相对复杂性，图4示出与图3中相同的齿轮的从固体磨削周期的一个旋转的典型滚动速度曲线的例子。由于在从固体磨削的情况下缺乏半精加工齿槽（至少第一旋转），所以要求另外的摇台滚动行程，这是因为由于缺乏半精加工齿槽，在从固体磨削工艺中较早发生刀具-工件接触。这就解释了为什么相对硬精加工的例子（图3），从固体磨削的例子（图4）存在约大于20°的小端滚动。分别以（1）和（5）表示加速和减速部段。加工材料，以在部段（2）-（4）中形成锥齿轮槽。这些部段以这样的方式倾斜，即，使每一磨削轮粒度都产生合理的恒定负载。

目前，可能稍微优化从固体磨削的应用，诸如通过确定合理成功的摇台速度曲线来实现优化。然而，优化工艺是手动工艺，其极大程度上取决于操作者的知识，并且非常耗时。此外，周期条件是与工作相关的，所以实际上，对于每一不同齿轮外形，都需要执行冗长的优化工艺。除了麻烦的初始设置外，制造环境变化可能要求对较早时间优化的循环重新作微调。在具有小批量和大量工作的生产环境中，所有这些因素都非常有问题的，确切地说对从固体磨削有优势的那一类齿轮生产商尤其如此。

如上所述，直接应用自适应控制将不能改善从固体磨削锥齿轮的情况。原因在于，自适应控制不具有动态变化的刀具啮合条件的信息。对于从固体磨削工艺而言，非常期望有一种更耐用、较少操作者知识密集型设置、优化和监控的方法。

如上所述，本发明涉及作为刀具相对工件位置的函数来确定期望的功率水平，因此使得自适应控制有以前对加工诸如从固体磨削锥齿轮应用难以达到的优点。优选地，将设定点函数表达为展成齿轮的滚动位置的函数，或者非展成（成型法）齿轮的切入位置（plungeposition）的函数。可结合自适应控制系统使用该函数，以便可提高传统的从固体磨削工艺，以特别提供：

·更简单和更快的工艺优化

·更短设置时间

·较少需要操作者知识

·较少需要人类干预

·对具有大量工作的小批量生产尤其有利的更大耐用性和/或稳定性。

在从固体磨削的应用中，工件中的刀具啮合度随着加工齿槽变化。能够根据接触宽度的变化来量化该啮合变化，其中接触宽度定义为在给定时间点，接触锥齿轮槽表面的刀具横截面的有效宽度。

图5-8示出典型的从固体磨削情况下的刀具啮合的变化，其中从齿槽的小端到齿槽的大端磨削齿轮槽。在图5中示出接近机床摇台滚动运动开始的杯型轮相对工件的位置。为了清晰起见，未在图6-8的连续滚动位置中示出该轮。在每幅图中，都示出刀具轮廓的横截面，其示出此刻刀具轮廓的啮合工件的有效部分。将横截面图中的刀具轮廓啮合长度视为接触宽度。虽然刀具和工件的瞬时接触通常发生在绕刀具轴线变化的位置，但是可将该接触视为就像发生在单一横截面平面中。这是不影响物理意义的通常可接受简化。

能够作为刀具相对工件位置的函数来计算接触宽度。在展成锥齿轮的情况下，相对的刀具/工件位置等于摇台滚动位置。因此，能够概括地将该函数表达为：

W=f₁(Q)(1)

其中：W=有效接触宽度

Q=摇台滚动位置

实践中，可通过能计算锥齿轮机床设置的相同或类似的程序获得该函数，本领域技术人员已知并且易于获得该程序。

本发明的主要目标是作为刀具相对于工件位置的函数来确定自适应控制设定点的功率，以便能够将刀具上的标准化负载保持在恒定、最大水平。另一目标在于，提供一种不取决于复杂、多变工艺模型的可靠的磨削工艺的改进。为了实现这些目标，本发明优选利用特定功率或称比功率（specificpower），其为通常用于评价磨削工艺健康情况和最优化工艺的磨削特性。

将以P’表示的比功率定义为由磨削轮至工件的接触宽度来加以标准化的功率。其为磨削工艺性能的量度，并且其可用于构造磨削工艺，以尽可能激进地切除材料，同时避免诸如热损害或过度轮磨损这样的问题。可将功率和比功率的关系表达为：

P=f₂(P’,W)(2)

可以选择比功率值P’以获得高性能磨削工艺，并且可作为摇台滚动位置的函数来确定接触宽度。组合这些事实允许函数派生，于是获得作为滚动位置的函数的期望的功率水平。换句话说，P=f₂(P’,W)，并且W=f₁(Q)，所以

P=f₂(P’,f₁(Q))=f₂(P’,Q)(3)

图9示出如何将该函数与自适应控制系统相联系，以提供从固体磨削的有效解决方案。图10示出可如何对从固体磨削的工艺选择目标比功率值。在图10中，结合代表不同工艺条件（例如，磨削轮、轮速、修整参数、刀具-工件接触长度、刀具-工件接触宽度、刀具-工件接触面积、等效切屑厚度、其他刀具-工件接触条件、冷却剂施加条件等等）的特性曲线（A、B、C），相对特定金属切除率Z’示出比功率值P₀’、P₁’、P₂’，本领域技术人员应明白上述这些工艺条件。P₀’代表用于保持可靠的从固体磨削工艺的特定目标值P₁’，而比功率水平P₁’以上的面积表示过量的轮磨损，而比功率水平P₂’以上的面积表示对磨削轮和/或被磨削零件的热损伤。能够看出，随着工艺条件的变化（即，从A至B至C），特定的金属切除率Z’能够增大，同时能保持期望的比功率值P₀’。

图11示出对特定齿轮计算的接触宽度函数的例子。图12示出可用于进给自适应控制的结果功率函数的例子。图12也示出本发明方法产生的实际功率曲线的例子。P_实际表示通过自适应控制和函数P=f₂(P₀’,W)进行从固体磨削过程中所保持的实际功率。

虽然上述本发明的方法使用比功率和接触宽度以提供最优化自适应控制系统，但是也可以可替换地通过接触面积来使比功率的度量标准化。在该情况下，由面积标准化的比功率度量由P”和面积A表示。该功率函数是以类似于上述根据接触宽度确定功率函数的方式来确定的。因而，在从固体展成磨削应用的上述例子中，方程式（1）、（2）和（3）分别变为：

A=f₃(Q)(4)

P=f₄(P”,A)(5)

P=f₄(P”,f₃(Q))=f(P”,Q)(6)

由面积标准化的功率度量包括对有效接触长度的考虑，因而可对一些应用提供有利条件。

本发明的上述说明建议了一种方法，其选择单一的P’或P”值来用于功率计算函数。虽然这可能在许多应用中实用并且充分，但是本发明也包括在刀具路径上改变目标比功率的可能性。这可能具有优点，例如在困难的展成齿轮磨削的情况下，其中作为展成滚动位置的函数，冷却剂应用的有效性明显不同。

也可将上述说明应用于成形磨削（非展成）齿轮。在成形磨削的情况下（参见图3-4和11-12），切入速度和切入深度位置代替摇台滚动速度和摇台位置（摇台角度）。虽然与相应的硬精加工和从固体磨削情况的滚动速度曲线相比，切入速度曲线具有不同的形状，但是可应用相同的改变工艺条件的原理。

本发明的优选应用是从固体磨削锥齿轮。应理解，术语“锥齿轮”包括横跨非平行轴传递旋转能量的所有已知类型的小齿轮和齿轮，包括螺旋锥齿轮、准双曲面齿轮、零度角螺旋锥齿轮（例如，零度锥齿轮）和直齿锥齿轮设计。从固体磨削涉及这样的工艺，利用该工艺，通过磨削在软的齿轮坯中形成全部齿槽。最普通的是在热处理前，作为半精加工工艺来执行从固体磨削。在涉及小批量的情况下，或者不易获得切削刀具和/或切削机床的情况下，从固体磨削能够比传统切削工艺更经济。

虽然从固体（例如，齿轮坯）磨削是本发明的优选应用，但是本发明也考虑磨削预先切槽的硬齿轮。此外，本发明也适用于其它与齿轮相关的工艺，诸如切削刃和切削刃坯（例如杆刃磨削）和锥齿轮切削。

虽然已参考优选实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于其细节。本发明有意包括对本领域技术人员显而易见的、属于本主题、不偏离附加权利要求的精神和保护范围的更改。

Claims (13)

1.一种利用刀具通过机加工从工件切除原材料的方法，所述方法包括：

限定所述方法的目标比功率，其中所述比功率定义为由刀具与工件的接触宽度或者是由刀具与工件的接触面积来加以标准化；

使所述工件和所述刀具啮合；

从所述工件切除原材料，因此虽然加工工艺条件在所述加工过程中变化，但是所述比功率在所述加工过程中本质上保持为所述目标比功率，

其中，当从工件切除原材料时，加工过程中的功率水平定义为是目标比功率的函数以及刀具相对于工件位置的函数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中变化的加工工艺条件是刀具与工件的接触宽度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中变化的加工工艺条件是刀具与工件的接触面积。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括齿轮坯或预切槽齿轮。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述加工方法为展成法。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述加工方法为非展成法。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述加工方法包括磨削。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述加工方法包括切削。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述比功率在所述加工过程中是恒定的。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述比功率在所述加工过程中是变化的。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括切削刀片或切削刀片坯。

12.根据权利要求5所述的方法，其中对展成加工方法而言，将所述加工的功率水平P定义为：

P＝f(P’,W)＝f(P’,Q)

其中：P’＝比功率

W＝接触宽度

Q＝摇台滚动位置。

13.根据权利要求5所述的方法，其中对展成加工方法而言，将所述加工的功率水平P定义为：

P＝f(P”,A)＝f(P”,Q)

其中：P”＝比功率

A＝接触面积

Q＝摇台滚动位置。