CN104395025B - 研磨齿轮的主动扭矩方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于研磨齿轮的方法和设备，其包括主动扭矩系统以相对于跳动和其它更长期运动传动误差显著改进研磨过程，而不会有损齿间性能。运动传动误差测量提供计算校正主动扭矩分量的基础，校正主动扭矩分量与常规过程扭矩组合以减少或排除部分跳动。

Description

研磨齿轮的主动扭矩方法

本申请要求了在2012年6月19日提交的美国临时专利申请第61/661,382号的权益，该专利申请的全部内容以引用的方式并入到本文中。

技术领域

本发明涉及齿轮研磨并且特别地涉及齿轮研磨机和用于在研磨过程中主动控制扭矩的方法。

背景技术

研磨是用于对锥齿轮的齿表面进行精整加工的非常完善的过程。研磨的目的是为了更改或改善齿轮齿侧面，以改进齿轮组运行噪音(运动传动误差)。这些运动传动误差可以被表征为短期(每个齿一次和其谐波)和长期(每转一次的跳动和其谐波)的。

在研磨过程中，锥齿轮组的构件、即小齿轮和环形齿轮经由适当工件夹紧器械安装到研磨机中的相应主轴上。在研磨期间使齿轮组滚动的大部分情形下，小齿轮是驱动构件并且环形齿轮被制动，从而在小齿轮与环形齿轮之间形成一定量的扭矩。齿轮构件啮合滚动，并且研磨化合物(其可以是油(或水)和碳化硅或类似磨料的混合物)被喷洒、喷射或倾倒至啮合区内。在典型研磨循环中，齿轮的第一侧(即，非工作侧)被研磨，之后研磨齿轮的另一侧(例如，驱动侧)。在授予Stadtfeld等人的美国专利第6,120,355号中可以看到齿轮研磨机的示例。

大部分研磨机具有可用于实现在环形齿轮与小齿轮之间相对运动的三个自由度。第一自由度是在环形齿轮轴线方向(其将被称作方向G或G轴线)上的相对移动(齿轮锥距离)，第二自由度是在小齿轮轴线方向(其将被称作方向H或H轴线)上的相对移动(小齿轮锥距离)，以及第三自由度是在环形齿轮与小齿轮轴线之间的距离(其将被称作方向V或V轴线)。方向V也被称作“准双曲面齿轮偏移”或“小齿轮偏移”。

在研磨过程中，在V、H和G方向上的相对移动实现了齿轮组构件的接触模式的位置变化，实际上改变了接触模式。研磨涉及旋转齿轮构件,齿轮构件在齿表面上所希望的位置接触地啮合。因此，各构件定位于特定的V和H位置以及特定的G轴线位置以实现所希望的齿轮隙。

通常，V、H和G移动分别对局部齿接触模式的长度方向和深度方向上的位置产生影响，V轴线移动主要影响接触模式的相对长度方向位置，H轴线移动主要影响接触模式的相对深度方向位置，并且G轴线移动主要影响齿轮隙。

在研磨齿轮组时，通过根据需要改变V和H设置，接触通常从齿中心平稳地并且逐渐地朝向齿表面的外(跟)或内(趾)部之一转移。在改变V和H以实现这种转移时，G轴线位置必须也平稳地并且逐渐地改变以维持所希望的齿轮隙。当到达了所希望的跟部或趾部位置时，V和H轴线位置再次改变以将接触转移到跟部位置和趾部位置中的另一个，变化的V和H位置伴有适当G轴线变化以维持齿轮隙。然后接触位置返回到齿中心的开始位置。

由机器主轴马达形成扭矩，以使得在齿轮组处产生所希望的速度和负荷，而磨损作用造成的材料移除率为负荷的函数。负荷或齿轮组扭矩也可以具有使用者在设置研磨工作时确定的平均水平(例如，10牛顿-米)。在过程中，由机器根据各种已知的方法，诸如在授予McGlasson等人的美国专利第6,481,508号中所公开的各种已知方法来维持这种平均扭矩水平。

但齿轮组扭矩也具有并未受到主动控制的动态分量。由于机器对于受到主轴和其它机器元件的质量、刚性和阻尼影响的齿轮组运动误差做出响应(即，机器的被动物理学)，不可避免地存在这种动态分量。将主要由于齿轮组运动误差发起的这些动态分量加到平均扭矩，以包括实际研磨扭矩。因此，在任何给定瞬间，基于这些动态性，研磨扭矩可能显著地高于或低于命令的平均值。研磨机的性能和性能局限性在很大程度上取决于这些基于被动物理学的行为，并且在研磨期间主轴旋转越快，这些效应就越倾向于占优势。

因此，显著限制效应常常是由于研磨机系统的被动动态运动/扭矩行为造成。已发现产生最佳齿修改性能的研磨机参数(机械设计、控制特征和过程选择)可能并未同时产生最佳的间距和/或跳动性能并且反之亦然。换言之，用于齿侧形状的最佳改进的机器设计可能平均而言仅维持跳动或者甚至使跳动更糟。而被设计成持续改善部分跳动的机器可能实现次优的齿间特征。

解决齿特征的一个示例可以见于授予Ginier的U.S.4,788,476中，其中，公开了一种利用和操纵基于干涉的研磨法的间歇性接触(通过以速度和/或位置模式来操作两个主轴造成)以便选择性地研磨歪曲或不当位置齿轮齿的方法。过程控制被归结为何时前进和何时维持产生研磨扭矩的命令的干涉条件的状况。所得到的研磨循环通常太慢而不能用于生产并且如果研磨前间距误差较大，可能预期发生对某些齿的过度研磨(使得齿轮组不可用)。

发明内容

本发明包括用于研磨齿轮的方法和设备，其包括主动扭矩系统以相对于跳动和其它更长期运动传动误差显著改进研磨过程，而不会有损齿间性能。运动传动误差测量提供计算一个或多个校正主动扭矩分量的基础，校正主动扭矩分量由主轴马达或制动器实现，并且与常规过程扭矩组合，以减轻或排除部分跳动和齿轮组运动传动误差的其它要素。

附图说明

图1示出了齿轮研磨机的已知配置。

图2示意性地示出了齿轮研磨机的主动扭矩系统。

具体实施方式

在本说明书中使用用语“发明”、“该发明”和“本发明”意图广义地指此说明书和所附任何权利要求的主题。包含这些用语的表述不应理解为限制本文所描述的主题或者限制任何专利权利要求的意义或范围。此外，本说明书并非意图在本申请的任何特定部分、段落、叙述或附图中描述或限制由任何权利要求所涵盖的主题。应参考下述整个说明书、所有附图和任何权利要求来理解本主题。本发明能有其它构造且能以各种方式来实践和执行。而且，应了解本文所用的短语和术语是出于描述目的且不应认为具有限制意义。

现将参考附图来讨论本发明的细节，附图仅以举例说明的方式示出了本发明。在附图中，相似特征或部件将由相似附图标记来标注。为了更好地理解本发明并且易于观察，从任何机器图中省略了门和任何内部或外部防护件。

在本文中使用“包括”、“具有”和“包含”及其变型意味着包含了下文所列的物件及其等效物以及附加的物件。使用字母来识别方法或过程的元素仅仅为了识别，并不意味着指示各元素应以特定次序来进行。

尽管下文在描述附图时可参照诸如上、下、向上、向下、向后、底部、顶部、前、后等的方向，但出于方便可相对于附图(如通常所示)来进行参照。这些方向并不意在按文字上来取或以任何定向或形式来限制本发明。此外，诸如“第一”、“第二”、“第三”等术语在此用于描述的目的，而并不意在指示或暗示重要性或意义的次序。

图1中示出前述U.S.6,120,355中的精磨(研磨)机器并以总体标号20表示。为了易于查看各种机器部件，图1示出没有门、支承系统和外部金属板的本发明机器。机器20包括单个柱22，单个柱22也可以被认为是机器框架。柱22包括至少三侧，优选地四侧，其中这些侧部中的至少两个、第一侧24和第二侧26彼此垂直。第一侧和第二侧中的每一个包括宽度和高度(如在图1中看出)。

第一侧24包括第一工件主轴28，第一工件主轴28可绕轴线A_G旋转并且优选地由直接驱动马达30驱动，优选地被液体冷却，安装于前主轴轴承与后主轴轴承(未图示)之间。主轴28可沿着第一侧24的宽度、在方向G上、在直接附连到柱22的轨道32上移动。主轴28在方向G上的移动由马达24通过直接联接的滚珠丝杠(未图示)提供。优选地，锥环形齿轮构件36通过本领域中已知的合适工件夹紧器械可释放地安装到主轴28上。

第二侧26包括第二工件主轴38，第二工件主轴38可以绕轴线A_H旋转并且优选地由直接驱动马达40驱动，优选地被液体冷却，安装于前主轴轴承和后主轴轴承(未图示)之间，其中马达40能够实现约4000RPM(每分钟转数)的小齿轮旋转(马达30的RPM将是：小齿轮RPM/齿轮组的传动比)。

主轴38可以沿着第二侧26的宽度、在方向H上、在附连到滑块44的轨道42上移动。主轴38在方向H上的移动由马达24通过直接联接的滚珠丝杠(未图示)提供。优选地，小齿轮构件48通过本领域中已知的合适工件夹紧器械可释放地安装到主轴38上。由于滑块44能以马达52通过直接联接的滚珠丝杠(未图示)提供的移动而经由轨道50在V方向上移动，工件主轴38也可以沿着第二侧26的高度在方向V上移动。方向G、H和V相对于彼此相互垂直。出于实用目的以及出于说明目的，在图1中，V方向是竖直的。

第一工作主轴28在方向G上的移动、第二工作主轴38在方向H上的移动、滑块44在方向V上的移动以及第一主轴旋转和第二主轴旋转分别由单独驱动马达34、46、52、30和40赋予。上文提到的部件能够相对于彼此独立移动或者可以相对于彼此同时移动。相应马达中的每一个与作为CNC系统一部分的反馈装置、诸如线性或旋转编码器(例如,编码器29、39)相关联，CNC系统根据输入到计算机控件器诸如Fanuc模型18i的指令来调控驱动马达的操作。

根据本发明，一种研磨机包括主动扭矩系统以相对于跳动和其它更长期运动误差显著改进研磨过程，而不会有损齿对齿性能。本发明包括作为研磨机的一部分的实时运动-传动-误差(MTE)测量系统，使用这种系统来获得跳动的实时测量，并且引入主动校正扭矩命令分量来减轻这种跳动。因此，如果机器被动物理学产生倾向于加强或增加跳动的动态扭矩分量，那么由本发明的系统所生成的(一个或多个)主动扭矩分量倾向于以可控制并且校正的方式来抵消(一个或多个)被动分量，以使得净结果是改善或实际上排除了那种跳动的选定分量。例如，针对给定跳动分量的净结果可能是零或非零(例如，正)量。优选地，校正扭矩分量研磨运动误差高点比低点更甚，这久而久之倾向于减轻这些运动误差。

本发明包括齿轮组运动误差的机器上测量。基于计算机的数据采集系统从安装到小齿轮和齿轮主轴的编码器收集旋转信息。处理这些数据以识别齿轮组的运动误差，并且优选地被表达为许多分量频率的量值和相位。应当指出的是确定齿轮组运动传动误差(MTE)本身是齿轮测试机和测试方法方面的技术人员已知的。然而，本发明者认为在先前并未设想到将这种MTE的确定合并到齿轮研磨过程和机器中。

确定的运动传动误差测量变成了在齿轮和/或小齿轮的一个或多个相关频率(例如，每转一次跳动或每转两次跳动)下来计算校正扭矩分量的基础。

本发明还包括确定来自计算的MTE分量的主动扭矩信号。在一优选实施例中，主动扭矩信号被输出到NC(数控)控制单元或用于主环形齿轮主轴马达的驱动器，并且将主动扭矩信号加到已经生成的用于常规主轴控制的扭矩命令。在另一实施例中，主动扭矩信号被输出到用作“主动扭矩”马达的驱动器，该驱动器主环形齿轮主轴马达分开，但也集成到环形齿轮主轴内。

在研磨过程中，由于多种原因，测量的MTE能由于多种原因改变。首先，驱动侧的MTE特征可能不同于非工作侧的那些MTE特征，因此，施加的主动扭矩信号将取决于当前被研磨所在侧，这在典型的研磨循环中包括研磨一侧，然后研磨另一侧。而且，MTE可以从循环开始到结束变化，因为研磨使整个齿主动再成形。而且，MTE可以随着齿接触位置而改变。故意使齿接触位置在整个研磨过程中移动，以使得在任何瞬间通常位于在齿表面的仅一部分的研磨作用将最终覆盖大部分齿侧面。使用机器的V、H和G轴线，对两个齿轮组构件的相对位置做出较小并且连续调整来实现这种接触模式运动。因此，由于上述原因，校正研磨所需的主动扭矩分量并非静态的或恒定的，并且必须在整个研磨循环以规定的周期或间隔进行更新。为此目的，MTE系统反复做出测量，分析误差分量并且计算主动扭矩命令。这个反复循环的周期可以被设置为经确定为对于该应用来说最佳的值，例如在1秒与20秒之间或部分转。

应当指出的是将齿轮组构件可释放地夹持到其相应主轴上的工件夹紧器械和甚至主轴本身可能是除了齿轮组MTE误差之外的跳动源。如果这些误差源显著并且充分可重复，它们能在开始研磨之前确定，并且当生成校正信号时考虑在内。换言之，来自这些源的贡献(若已知)可以从原始MTE信号减去，并且创建校正扭矩信号不是为了解决总组合的跳动分量而是仅解决可能归属于齿轮组的分量。

图2示出了用于执行本发明的方法的系统的优选布置。示出了齿轮研磨机20(参看图1)，其中主轴28、38与相应驱动器60、62通信，相应驱动器60、62又与数控(NC)控制器64通信。用户界面和研磨控制器66与NC控制器64通信。如上文所讨论那样，基于计算机的MTE测量数据采集系统68从分别安装到小齿轮主轴38和齿轮主轴28上的编码器39、29收集旋转信息。处理这些数据以识别齿轮组的运动传动误差。

在上文所提到的周期或间隔中的每一个内，主动扭矩信号由扭矩命令发生器72基于从主动扭矩过程控制器70的逻辑和计算提供的参数来创建。这些参数描述了主动扭矩信号的一个或多个重复分量，其中每个分量通常针对于特定相关频率。例如，主动扭矩信号可以由四个分量构成：一个以每次环形齿轮旋转一次的频率，另一个以每次环形齿轮旋转两次的频率；另一个在每次小齿轮旋转一次的频率，并且最后一个以每次小齿轮旋转两次的频率。

由于主动扭矩信号的目的是为了提供随着研磨过程进展来改进(即，减小)齿轮组运动误差的扭矩，主动扭矩信号的分量被称作“校正分量”。限定每个校正分量的参数描述了其频率、量值、相位和形状。优选地，每个校正分量为正弦形状，其频率、量值和相位关于测量的MTE分量的参数来限定或计算。这些校正分量相对于每个齿轮组构件的当前实际位置来集合和施加，从而维持在MTE分量与校正分量之间基于齿轮构件的空间协调。虽然优选校正分量的正弦形状，同样设想到其它形状，例如，盒形波、方波、三角波等。

得到校正分量参数的逻辑和计算可能基于各种因素，这些因素能由本领域技术人员认识到并且可能不仅取决于测量的MTE数据，而且也取决于其它考虑，诸如过程速度、齿轮组构件和/或其它旋转机器部件的惯性、齿轮组的大小、类型和性质、研磨机模型等。此外，逻辑或计算可能也取决于其它机器上测量，诸如振动、温度、研磨化合物、流量等。例如，该逻辑可能需要小齿轮构件校正分量的量值以每20μrad(微弧度)1N-m关系的相同频率和20度提前的相对定相而与小齿轮MTE分量正弦相关。

主动扭矩过程控制器70由使用者指导和/或被编程为决定MTE数据的哪些分量被校正。其逻辑和计算基于上文提到的输入参数来创建适当校正分量的参数，这些输入参数包括(例如)环形齿轮或小齿轮、每转一次或二次的频率、量值、相位角和更新循环。校正分量的参数然后被发送到扭矩命令生成器72，在扭矩命令生成器72中生成校正扭矩信号并且被发送到环形齿轮驱动器60，在环形齿轮驱动器60中，将其加到来自NC控制器64的正常编程的主轴控制扭矩。替代地，校正扭矩信号可以被发送到小齿轮驱动器62或者经协调的扭矩信号可以同时发送到两个驱动器60、62。还应当指出的是校正扭矩信号可以被发送到主动扭矩驱动器和马达，它们与主齿轮主轴马达(或主小齿轮主轴马达)分开、但集成到齿轮主轴(或小齿轮主轴)内。

校正扭矩参数的特定集合由扭矩命令生成器72用于形成主动扭矩命令信号，主动扭矩命令信号被持续地发送到驱动器60直到主动扭矩过程控制器70基于从MTE测量数据采集系统68和编码器39、29接收的更新测量数据来建立。更新间隔可以是任何时间周期或间隔，但优选地在1秒至20秒的范围。

虽然关于图1的研磨机配置讨论了本发明，本发明的主动扭矩系统也适用于其它类型的研磨机，包括(例如)角度研磨机，摆动小齿轮锥研磨机和具有非直接驱动主轴的研磨机。

虽然测量数据采集系统68、主动扭矩过程控制器70和扭矩命令生成器72在图2中表示为单独的实体，这些功能可能组合为单个主动扭矩过程控制器，其本身可能是研磨机控制器66的一部分。替代地，测量数据采集系统68、主动扭矩过程控制器70和扭矩命令生成器72可能分别驻留在单独计算机或其它电子装置中。应了解在本发明中，使用术语“频率”旨在涵盖基于时间的频率和空间频率(术语“空间”涉及齿轮组构件中的任一个或二者的旋转位置)。

虽然参考优选实施例描述了本发明，应了解本发明并不限于其特定细节。本发明旨在包括对于本主题相关领域技术人员显然的修改，而不偏离所附权利要求的精神和范围。

Claims (18)

1.一种研磨齿轮的方法，所述方法包括在向第一齿轮组构件和第二齿轮组构件施加磨料混合物时使所述第一齿轮组构件和所述第二齿轮组构件一起啮合滚动，而在所述第一齿轮组构件和所述第二齿轮组构件之间有一定量的扭矩，所述方法还包括：

实时测量齿轮组的运动-传动-误差；

从测量到的运动-传动-误差获得跳动的实时测量；

确定在一个或多个预定频率下的校正扭矩分量；

引入所述校正扭矩分量以减小所述跳动；

利用根据所述校正扭矩分量调整的扭矩量所限定的扭矩来研磨齿轮组。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各齿轮组构件分别包括齿，所述齿具有驱动侧和非工作侧，其中将研磨方法应用于所述驱动侧和所述非工作侧之一，然后应用于所述驱动侧和所述非工作侧中的另一个。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，跳动的实时测量排除了由于可释放地夹持所述齿轮组的工件夹紧设备所造成的跳动。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一齿轮组构件和第二齿轮组构件分别包括具有齿表面的齿，所述齿表面在研磨期间在齿表面接触位置处彼此接触，且其中在所述研磨期间，所述齿表面接触位置移动到所述齿表面上的多个部位，

对于所述齿表面接触位置的所述多个部位中的每一个，重复进行测量、获得、确定和引入步骤。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以1秒与20秒之间的间隔重复测量、获得、确定和引入步骤。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动-传动-误差被表达为一个或多个分量频率的量值和相位。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校正扭矩分量与滚动的齿轮组同相引入。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述校正扭矩分量与滚动的齿轮组异相引入。

9.一种在齿轮研磨机上研磨齿轮的方法，所述齿轮研磨机包括第一主轴和第二主轴，第一齿轮组构件安装到所述第一主轴上以进行旋转，而第二齿轮组构件安装到所述第二主轴上以进行旋转，所述方法包括：

在向各齿轮组构件施加磨料混合物时使所述第一齿轮组构件和所述第二齿轮组构件一起啮合滚动，而在所述第一齿轮组构件和所述第二齿轮组构件之间有初始量的扭矩，

实时测量所述齿轮组的运动-传动-误差；

从测量的运动-传动-误差获得跳动的实时测量；

确定在一个或多个预定频率下的校正扭矩分量；

向所述初始量的扭矩添加所述校正扭矩分量，以产生校正量的扭矩用于减小所述跳动；

利用所述校正量的扭矩来研磨各齿轮组构件。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一主轴能由第一主轴马达旋转并且所述第二主轴能由第二主轴马达旋转，并且其中由所述第一主轴马达和第二主轴马达之一产生所述初始量的扭矩，

将所述校正扭矩分量添加到产生所述初始量的扭矩的所述第一主轴马达和第二主轴马达中的至少一个。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一主轴能由第一主轴马达旋转并且所述第二主轴能由第二主轴马达旋转，并且其中由所述第一主轴马达和第二主轴马达之一产生所述初始量的扭矩，

所述校正扭矩分量被提供给单独的马达，所述单独的马达被集成到产生所述初始量的扭矩的所述第一主轴和第二主轴之一内。

12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，以预定间隔重复所述测量、获得、确定和添加的步骤。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述间隔在1秒与20秒之间。

14.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述频率包括基于时间的频率和空间频率中的至少一个。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述频率为所述第一齿轮组构件每转一次、所述第一齿轮组构件每转两次、所述第二齿轮组构件每转一次和所述第二齿轮组构件每转两次中的至少一个。

16.一种齿轮研磨机，包括：计算机控件；第一主轴，所述第一主轴能经由第一主轴马达绕第一轴线旋转；以及第二主轴，所述第二主轴能经由第二主轴马达绕第二主轴轴线旋转；所述第一主轴马达与所述计算机控件通信，并且所述第二主轴马达与所述计算机控件通信，所述第一主轴马达和所述第二主轴马达能操作成使安装于所述第一主轴中的第一齿轮组构件与安装于所述第二主轴中的第二齿轮组构件以各齿轮组构件之间的预定量的扭矩啮合旋转；所述齿轮研磨机还包括：

运动-传动-误差测量数据采集系统，用以确定齿轮组的跳动，所述系统与所述第一主轴和第二主轴通信；

扭矩命令发生器，所述扭矩命令发生器与所述第一主轴和第二主轴中的至少一个通信，

主动扭矩过程控制器，所述主动扭矩过程控制器与所述运动-传动-误差测量数据采集系统和所述扭矩命令发生器通信，所述主动扭矩过程控制器基于测量到的跳动向所述扭矩命令发生器提供参数以确定校正扭矩信号，

由此，所述扭矩命令发生器提供添加到所述预定量的扭矩的所述校正扭矩信号，从而得到校正量的扭矩，以减小所述齿轮组的跳动。

17.根据权利要求16所述的齿轮研磨机，其特征在于，所述运动-传动-误差测量数据采集系统、所述主动扭矩过程控制器和所述扭矩命令发生器分别驻留在单独的相应装置中。

18.根据权利要求16所述的齿轮研磨机，其特征在于，所述运动-传动-误差测量数据采集系统、所述主动扭矩过程控制器和所述扭矩命令发生器全驻留在单个装置中。