CN114762946A - 用于加工组件的加工单元和方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于加工组件(2)的加工单元(1)，特别是用于加工轴承组件的加工单元(1)，所述加工单元(1)包括工业机器人(4)、至少一个磨具(6)以及控制器(12)，其中，所述至少一个磨具(6)联接到所述工业机器人(4)，其中，所述控制器(12)被配置为控制所述至少一个磨具(6)的运动路径(S)，使得所述磨具(6)的接触在所述组件的表面(18)的法线方向上。

Description

用于加工组件的加工单元和方法
技术领域
本发明涉及一种用于加工组件的加工单元，特别是用于加工轴承组件的加工单元。本发明还涉及一种用于加工组件的方法，特别是用于加工轴承组件的方法。
背景技术
精加工轴承组件(bearing component)的一个步骤是使用磨具来提供光滑的组件表面的加工(/机加工)(machining)。这通常使用在轴承组件的表面上运动的珩磨石来实现。根据组件的尺寸，该工序可能相当耗时。此外，珩磨石相对于组件表面的取向(/定向/方向)(orientation)可能变化，使得珩磨石的材料去除容量(capacity)没有使用至全容量，这也可能导致较长的加工时间。
此外，即使珩磨石的轻微错位，也可能导致较低或较高的去除率，导致组件表面不平整。通常，珩磨石的运动路径必须手动调整，并且在适应不同运动路径方面不太灵活，这也可能导致较长的总加工时间。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种改进的用于加工组件的加工单元，其还允许在组件的加工中具有更大的灵活性。
该目的通过根据技术方案1的用于加工组件(特别是轴承组件)的加工单元以及根据技术方案11的用于加工组件(特别是轴承组件)的方法来解决。
在下文中，提供一种用于加工组件(特别是轴承组件)的加工单元。所述加工单元包括工业机器人、至少一个磨具(/研磨工具)(abrasive tool)以及控制器，其中，所述至少一个磨具联接到所述工业机器人。例如，所述组件可以是大轴承组件(诸如直径大于400mm的轴承圈)，或者是小轴承组件(诸如具有较小直径的滚动元件)。优选的是，所述至少一种磨具是磨石(abrasive stone)或磨带(abrasive belt)。此外，所述至少一个磨具可以被构造为在干燥条件和/或潮湿条件下操作，在潮湿条件下，使用水基或油基的切削液。
为了对组件提供更有效和灵活的加工，控制器被配置为控制至少一个磨具的运动路径，使得磨具的接触在组件的表面几何形状的法线方向上。这允许精确且有效地去除组件表面上的多余材料。更特别地，控制至少一个磨具的运动路径使得磨具的接触在组件的表面几何形状的法线方向上具有以下优点：磨具始终在组件表面的限定取向(orientation)上，这避免磨具去除更多或更少的材料(取决于磨具与表面之间的接触角)。例如，根据待加工的表面，由加工单元制造的轴承组件(特别是大直径滚动轴承)可以具有小于0.5μm的算术平均表面粗糙度Ra，优选地，由加工单元制造的轴承组件(特别是大直径滚动轴承)可以具有在0.05μm与0.5μm之间的算术平均表面粗糙度Ra。然而，其他表面类型(诸如倒角)可以具有更广泛的要求。换言之，所描述的加工单元允许改善的表面质量，这也引起改善的轴承组件外观。此外，可以改善组件中的压缩残余应力(compressive residualstress)。而且，加工单元在适应不同运动路径方面提供高灵活性，这可以减少组件的总加工时间。
根据本发明的另一实施方式，加工单元还包括载荷传感器，载荷传感器被配置为测量由至少一个磨具施加到组件上的载荷。这具有以下优点：可以实现均匀的材料去除。例如，载荷传感器可以被配置为测量在三个独立轴上施加的载荷，并且基于组件的表面几何形状从这三个载荷测量计算在组件表面的法线方向上施加的载荷。
优选的是，控制器被配置为基于测量的载荷来控制工业机器人和至少一个磨具的运动。例如，控制器可以控制工业机器人和至少一种磨具，使得由至少一种磨具施加到组件上的力是恒定的。优选地，连续测量载荷，并且控制器被配置为将测量的载荷与存储在控制器中的存储装置中的参考载荷进行比较，并调整(/调配/适配)(adapt)施加的载荷，使得测量的载荷与参考载荷之间的差小于预定的阈值。参考载荷可以通过实验预先确定。例如，阈值可以是参考载荷的1％。这具有以下进一步的优点：可以补偿由组件表面的曲率变化引起的施加载荷的变化。优选地，根据组件和待加工的表面，轴承组件表面的制造形式偏差(produced form deviation)小于15μm，优选地，轴承组件表面的制造形式偏差在0μm与15μm之间。
此外，控制器可以被配置为基于计算的至少一个磨具的精加工时间tf和/或测量的去除材料的量来确定加工何时结束，其中，tf被计算为待去除的体积V与材料去除率MRR的商，tf＝V/MMR，其中，材料去除率MRR被计算为至少一个磨具的比材料去除率容量(specific material removal rate capacity)Q'与轴向接触宽度wa的乘积，MRR＝Q'*wa，其中，V是待去除的体积。对于旋转对称轴承组件，V由以下公式确定：
Figure BDA0003459707830000031
其中，S(x)是组件表面上的参数化的运动路径，Δ是待去除的材料宽度，A和B是运动路径的起点和终点。控制加工何时结束具有以下优点：不存在去除过多或过少材料的风险。由此，使加工过程更有效并且允许在更短的时间内获得具有改善的表面完整性和/或减小的制造形式偏差的轴承组件。更特别地，如果必须去除在先前操作中加工的表面纹理(texture)以设置新纹理，则可能发生“过少”或不充分的材料去除。
根据另一实施方式，加工单元还包括被构造为保持组件的保持件，其中，保持件被构造为使组件旋转，并且控制器还被配置为控制组件的转速。特别是，保持件可以直接旋转组件和/或可以间接旋转组件，例如通过旋转保持组件的固定装置(fixture)。例如，保持件本身可以被构造为旋转。优选的是，至少一个磨具的运动路径指向(/朝向)组件绕着其旋转的旋转轴线。
优选的是，至少一个磨具被构造为包含旋转运动和/或旋转，其中，控制器被配置为控制至少一个磨具的转速和/或旋转方向。例如，旋转运动可以是磨带的旋转或通过偏心使珩磨石(honing stone)摆动(oscillation)的旋转。
根据另一实施方式，控制器被配置为控制组件的转速和至少一个磨具的转速，使得至少一个磨具的转速与组件的转速之比不等于整数或半整数(half integer)。优选地，至少一个磨具的转速的误差小于目标值的±0.5％，和/或组件的转速的误差小于目标值的±0.5％。这允许减少在周向方向上可能由于叠加效应(superposition effect)而被或多或少地加工的区域的出现，这提高组件的精加工表面的整体质量。特别地，可以减小组件的制造形式偏差和算术平均表面粗糙度Ra。更特别地，制造形式偏差可以小于15μm，优选地在0μm与15μm之间，并且加工表面的算术平均表面粗糙度Ra可以小于0.5μm，优选地在0.05μm与0.5μm之间。其他表面可以具有更广泛的要求。
根据另一实施方式，加工单元还包括工具接口，工具接口被构造为将至少一个磨具联接到工业机器人。优选的是，加工单元还包括另一磨具(/第二磨具)(second abrasivetool)，其中，工具接口被构造为自动更换使用的磨具。这提高加工单元的生产率。
根据本发明的第二方面，提供一种用于加工组件(特别是轴承组件)的方法，所述方法使用如上所述的加工单元。所述方法包括以下步骤：控制至少一个磨具的运动路径，使得磨具的接触在组件的表面几何形状(surface geometry)的法线方向上。
本发明的又一方面涉及一种包括计算机程序代码的计算机程序产品，所述计算机程序代码适于促使(prompt)控制单元(例如，计算机和/或上述制造装置的计算机)执行上述步骤。
计算机程序产品可以作为存储装置(诸如存储卡、USB棒、CD-ROM、DVD)提供，和/或计算机程序产品可以是可以从网络中的服务器(特别是远程服务器)下载的文件。网络可以是用于与计算机程序产品传输文件的无线通信网络。
在从属权利要求以及说明书和附图中限定了进一步优选的实施方式。因此，在不脱离保护范围的情况下，与其他元件组合描述或示出的元件可以单独存在或与其他元件组合存在。
在下文中，结合附图描述本发明的优选实施方式，其中，附图仅是示例性的，并不旨在限制保护范围。保护范围仅由所附权利要求限定。
附图说明
图1：根据一实施方式的加工单元的示意图，
图2：示出图1的加工单元的细节的示意图，
图3：根据另一实施方式的保持件的示意图。
在下文中，相同或功能相似的元件用相同的附图标记表示。
1 加工单元
2 组件
4 工业机器人
6 磨具
8 磨带
10 工具接口
12 控制器
14 保持件(/支架)
16 旋转轴
18 组件表面
20 载荷传感器
22 存储装置
24 待去除的材料
S 运动路径
具体实施方式
图1示出了用于加工轴承组件2(诸如，如图1中示出的轴承圈)的加工单元1的示意图。组件可以是轴承组件，例如，如图1中示出的直径大于400mm的轴承圈。加工单元1包括工业机器人4，其配备有具有磨带(/砂带)(abrasive belt)8的磨具(abrasive tool)6。然而，磨具6可以不限于磨带8，并且替代地可以是磨石。磨带8是由其上设置有磨料(诸如氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)或立方氮化硼(CBN))的载体材料(carrier material)制成的带。在操作期间，磨带8旋转。磨具6通过工具接口10联接到工业机器人4。
组件2由保持件14保持。保持件14绕着旋转轴16旋转，这也使组件2旋转。为了从组件2的表面18去除材料，通过工业机器人4使磨具6在组件的表面18上运动。工业机器人4的这些运动由加工单元1的控制器12控制。特别地，控制器12被配置为控制工业机器人4，以使磨具6的运动路径S(图2)使得磨具6的接触在组件2的表面18的法线方向上。即，控制器12向工业机器人4发送控制信号，使工业机器人4运动磨具6。例如，控制信号可以通过有线(诸如LAN连接)或无线(特别是WLAN)发送。此外，控制器12还被配置为控制磨带8的转速和旋转方向，以及保持件14的转速并因此控制组件2的转速。更特别地，加工单元1允许将轴承圈的形式偏差减小为小于15μm，加工后的表面的算术平均表面粗糙度(arithmetic averagesurface roughness)Ra小于0.5μm。
此外，加工单元1包括载荷传感器20，载荷传感器20测量由磨具6施加到组件2的载荷。载荷传感器20配置在工具接口处并且测量在三个独立轴上施加的载荷。优选地，连续测量载荷。根据这些测量的载荷值，基于组件2的表面几何形状计算在组件表面18的法线方向上施加的载荷。此外，测量的载荷被反馈到控制器12，使得控制器12可以基于测量的载荷控制工业机器人4和磨具6的运动。
例如，控制器12可以控制工业机器人4和磨具6，使得由磨具6施加到组件2的力是恒定的。因此，控制器12被配置为将测量的载荷与存储在控制器12中的存储装置22中的参考载荷进行比较，并调整所施加的载荷，使得测量的载荷与参考载荷之间的差小于预定阈值。参考载荷可以通过实验预先确定，并且阈值可以是参考载荷的1％。这允许减小制造形式偏差(/制造形状偏差)(produced form deviation)和加工表面的算术平均表面粗糙度Ra。
如上所述，控制器12被配置为控制组件2的转速和磨带8的转速。与施加的载荷类似，控制器12还被配置为将带8的转速和组件2的转速与存储的目标值进行比较，并且调整相应的指令值，使得磨带8的转速的误差例如小于目标值的±0.5％，和/或使得组件2的转速的误差例如小于目标值的±0.5％。此外，控制器12被配置为设定组件2的转速和磨带8的转速，使得磨带8的转速与组件2的转速之比不等于整数或半整数。根据待加工的表面，所产生的制造形式偏差可以在0μm与15μm之间，并且根据待加工的表面，加工后的表面的算术平均表面粗糙度Ra可以在0.05μm与0.5μm之间。
此外，工具接口10还可以容纳另一磨具(/第二磨具)(second abrasive tool)(未示出)，使得工具接口10可以基于控制器12的指令自动更换使用的磨具。
为了对组件2提供更有效的加工，控制器12被配置为基于计算的磨具6的精加工时间tf来确定加工何时结束，其中，tf被计算为待去除的体积V与材料去除率MRR的商，tf＝V/MMR，其中，材料去除率MRR被计算为至少一个磨具的比材料去除率容量(specificmaterial removal rate capacity)Q'与轴向接触宽度wa的乘积，MRR＝Q'*wa，其中，V是待去除的体积。对于旋转对称轴承组件2，V由以下公式确定：
Figure BDA0003459707830000071
图2中示出了该计算原理。S(x)是组件的表面18上的参数化的运动路径S，Δ是待去除的材料宽度，A和B是运动路径的起点和终点。待去除的材料由附图标记24表示。材料去除率MRR、至少一个磨具的比材料去除率容量Q'和至少一个磨具的轴向接触宽度wa也被存储在控制器12的存储装置22中。此外，控制器12还可以被配置为确定待去除的体积V。替代地或附加地，可以测量去除的材料，并且可以基于测量的去除材料的量来确定精加工时间。确定待去除的材料的体积允许更有效的加工过程以及具有改善的表面粗糙度的轴承组件2。另外，还允许使制造形式偏差最小化。更特别地，根据待(/要)加工的表面，制造形式偏差可以小于15μm，优选地在0μm与15μm之间，并且根据待(/要)加工的表面，加工后的表面的算术平均表面粗糙度Ra可以小于0.5μm，优选地在0.05μm与0.5μm之间。
图3示出了保持件14的另一实施方式。图3的保持件14被构造为直接旋转组件2，在图3中组件2是滚动元件。使组件2旋转而不是使保持件14旋转例如对较小的组件(诸如滚动元件或较小的轴承圈)是有利的。
总之，控制磨具6的运动路径使得磨具6的接触在组件的表面几何形状的法线方向上具有以下优点：磨具6总是在组件2的表面的限定取向上，这避免磨具6去除更多或更少的材料(取决于磨具与表面之间的接触角)。

Claims (13)

1.一种用于加工组件(2)的加工单元(1)，特别是用于加工轴承组件的加工单元(1)，所述加工单元(1)包括工业机器人(4)、至少一个磨具(6)以及控制器(12)，其中，所述至少一个磨具(6)联接到所述工业机器人(4)，其特征在于，
所述控制器被配置为控制所述至少一个磨具(6)的运动路径(S)，使得所述磨具(6)的接触在所述组件的表面(18)的法线方向上。
2.根据权利要求1所述的加工单元(1)，其特征在于，所述加工单元(1)还包括载荷传感器(20)，所述载荷传感器(20)被配置为测量由所述至少一个磨具(6)施加到所述组件(2)的载荷。
3.根据权利要求2所述的加工单元(1)，其特征在于，所述控制器(12)被配置为基于所测量的载荷控制所述工业机器人(4)以及所述至少一个磨具(6)的运动，特别是使得由所述至少一个磨具(6)施加到所述组件(2)的力是恒定的。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的加工单元(1)，其特征在于，所述控制器(12)被配置为基于计算的至少一个磨具(6)的精加工时间tf和/或测量的去除材料(24)的量来确定加工何时结束，其中，tf＝V/MMR并且MRR＝Q'*wa，其中，wa是所述至少一个磨具的轴向接触宽度，Q'是所述至少一个磨具的比材料去除率容量，其中，V是待去除的体积。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的加工单元(1)，其特征在于，所述加工单元(1)还包括被构造为保持所述组件(2)的保持件(14)，其中，所述保持件(14)被构造为使所述组件(2)旋转，并且所述控制器(12)还被配置为控制所述组件(2)的转速。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的加工单元(1)，其特征在于，所述至少一个磨具(6)被构造为包含旋转运动，其中，所述控制器(12)被配置为控制所述至少一个磨具(6)的转速和/或旋转方向。
7.根据权利要求5或6所述的加工单元(1)，其特征在于，所述控制器(12)被配置为控制所述组件(2)的转速和所述至少一个磨具(6)的转速，使得所述至少一个磨具(6)的转速与所述组件(2)的转速之比不等于整数或半整数。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的加工单元(1)，其特征在于，所述加工单元(1)还包括工具接口(10)，所述工具接口(10)被构造为将所述至少一个磨具(6)联接到所述工业机器人(4)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的加工单元(1)，其特征在于，所述加工单元(1)还包括另一磨具，其中，所述工具接口(10)被构造为自动更换使用的磨具(6)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的加工单元(1)，其特征在于，所述至少一个磨具(6)是磨石或磨带(8)。
11.一种用于加工组件(2)的方法，特别是用于加工轴承组件的方法，所述方法使用根据权利要求1至10中的任一项所述的加工单元(1)，其中，所述方法包括以下步骤：
控制所述至少一个磨具(6)的运动路径，使得所述磨具(6)的接触在所述组件(2)的表面的法线方向上。
12.一种轴承组件(2)，特别是用于大直径滚动轴承的轴承组件，其中，所述轴承组件(2)是通过根据权利要求1至10中的任一项所述的加工单元(1)或根据权利要求11所述的方法制造的，其中，制造的轴承组件(2)具有小于0.5μm的算术平均表面粗糙度Ra，优选地，制造的轴承组件(2)具有在0.05μm与0.5μm之间的算术平均表面粗糙度Ra。
13.根据权利要求12所述的轴承组件，其特征在于，所述轴承组件的制造形式偏差小于15μm，优选地，所述轴承组件的制造形式偏差在0μm与15μm之间。
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