DE102005014911B4

DE102005014911B4 - Fertigungszelle zur Schleifbearbeitung und Radsatzprüfung und Verfahren zum Betreiben der Fertigungszelle

Info

Publication number: DE102005014911B4
Application number: DE102005014911.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sattelberger Klaus; Dipl.-Ing. Stuchlik Klaus
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2018-01-25
Anticipated expiration: 2025-04-02
Also published as: DE102005014911A1; US20060223417A1; US7137869B2

Abstract

Es wird eine Fertigungszelle zur Schleifbearbeitung von Zahnradflanken, insbesondere von Kegelritzeln, und zur Radsatzprüfung vorgeschlagen, welche eine Kegelrad-Schleifmaschine (1), eine Kegelrad-Abrollprüfmaschine (2), eine Laserbeschriftungseinheit (3) mit einem Taktband (5) und ein robotergestütztes Beladesystem (4) umfasst, die miteinander verkettet und derart steuerbar sind, dass der Prozess Ritzelschleifen/Radsatzprüfen/Beschriften und die Korrektur der Schleifmaschineneinstellung in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Abrollprüfung automatisch durchführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fertigungszelle zur Schleifbearbeitung von Zahnflanken von Kegelritzeln und zur Radsatzprüfung. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Fertigungszelle.
Derartige Fertigungszellen dienen der Schleifbearbeitung von Zahnradflanken, beispielsweise an Kegelritzeln, sowie der Geräuschprüfung an Kegelradsätzen, insbesondere für Automobilanwendungen.
Bei Fertigungssystemen bzw. Fertigungszellen wird angestrebt, die Qualität konstant zu halten und die Wirtschaftlichkeit zu optimieren. Aus der DE 101 22 318 A1 ist beispielsweise ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Berechnung von Qualitätsfähigkeitskenngrößen bekannt. Hierbei wird ein digitales Verarbeitungssystem verwendet, im Rahmen dessen aus mehreren Verteilungszeitmodellen ein zutreffendes Verteilungszeitmodell elektronisch ausgewählt wird, wobei zumindest ein Verteilungszeitmodell einen zeitlich sich ändernden Mittelwert der Messwerte oder eine zeitlich sich ändernde Streuung der Messwerte beschreibt. Anschließend werden die Qualitätsfähigkeitskenngrößen als Funktion von mit statistischen Methoden ermittelten Schätzwerten für Kenngrößen des ausgewählten Verteilungszeitmodells elektronisch berechnet und über geeignete Einrichtungen angezeigt.
Aus dem Stand der Technik sind Bearbeitungs- bzw. Prüfmaschinen zur Schleifbearbeitung von Zahnradflanken, insbesondere von Kegelritzeln bzw. zur Radsatzprüfung bekannt, wobei der Fertigungsablauf üblicherweise aus folgenden Arbeitsschritten besteht:

– Ritzel-Verzahnungsschleifen;
– Paaren, d. h. Abrollprüfung an verschiedenen Ritzeleinbaudistanzen;
– Festlegung der Einbaudistanz für die Montage durch den Maschinenbediener und
– bedarfsweise manuelle Korrektur der Schleifeinstellungen durch den Bediener bei Prüfergebnissen außerhalb der vorgegebenen Toleranz.

Hierbei ist die Anordnung der benötigten Maschinen zueinander unterschiedlich gelöst. Bekannt sind 1:1-Zuordnungen von Schleif- und Prüfmaschine mit manueller Bedienung der Prüfmaschine sowie getrennte Aufstellungen.
Bei dieser Vorgehensweise entsteht der Nachteil, dass durch die manuellen Abläufe beim Distanzieren des Radsatzes und bei der Korrektur der Schleifmaschine Personalkapazität benötigt und beansprucht wird. Zudem können bedingt durch die Bedienerabhängigkeit Fehldistanzierungen entstehen, welche wiederum in nachteiliger Weise in Tragfähigkeits- und Geräuschproblemen resultieren.
Die Bedienerabhängigkeit kann zudem durch lange Korrektur-/Rüstzeiten (manuelle Schleifmaschinenkorrektur) zu Produktivitätsverlusten führen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass keine automatisierte statistische Prozessführung bezüglich der Geräuschentwicklung möglich ist, da keine Regelungsmechanismen existieren.
Eine derartige Vorrichtung zur Schleifbearbeitung von Zahnflanken von Kegelrädern ist beispielsweise aus der EP 0 353 451 A2 bekannt. Um den Fertigungsausschuss zu vermindern, wird die Verzahnung jedes von einer Verzahnungsmaschine hergestellten Kegelrads geometrisch vermessen und die Messdaten auf einem elektronischen Datenträger gespeichert. Weichen bei einem Kegelrad die Messdaten von vorgegebenen Toleranzen unzulässig ab, wird dieses Kegelrad auf einer separaten Testmaschine einer Abrollprüfung unterzogen und das Tragbild ermittelt, das sich beim Abrollen gegen ein so genanntes Meisterrad – also ein Zahnrad mit fehlerfreier Verzahnung – einstellt. Dieses Tragbild ist Basis für die Festlegung einer Verzahnungskorrektur für dieses noch fehlerhafte Kegelrad, also für eine gezielte Nachbearbeitung dieses Kegelrades. Hierzu werden die Achslagen – also Achsversatz, Ritzel-Einbaumaß, Tellerrad-Einbaumaß – auf der Testmaschine von Hand so lange verändert, bis sich ein akzeptables Tragbild einstellt. Die so ermittelten Achslagen werden wiederum auf dem Datenträger gespeichert und an einen Verzahnungsrechner übermittelt, der die erforderlichen Korrekturen an den Einstellwerten für das Schleifen der Verzahnung berechnet. Auf Basis dieser Daten kann dann die Nachbearbeitung des noch fehlerhaften Kegelrads erfolgen. Notfalls muss der Prozess iterativ wiederholt werden, bis das Kegelrad die gewünschte Verzahnungsqualität aufweist.
Aus der DE 43 42 648 A1 beispielsweise ist ein Verfahren zur Optimierung der Kegelradfertigung bekannt, bei dem die Einstellungen der Schleifmaschine auf Basis der ausgewerteten Laufprüfung der hergestellten Verzahnungspaarung korrigierbar sind. Hierbei wird das gemessene Laufverhalten der hergestellten Verzahnungspaarung rechnergestützt mit dem früher gemessenen Laufverhalten einer optimalen fehlerfreien Verzahnungspaarung, einer so genannten Meisterverzahnung, verglichen. Die praktische Anwendung dieses Verfahrens setzt also die Existenz eines idealen Vergleichsobjektes voraus.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fertigungszelle zur Schleifbearbeitung von Zahnradflanken von Kegelritzeln und zur Radsatzprüfung anzugeben, durch die die genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Insbesondere soll die benötigte Personalkapazität reduziert werden und eine gleichbleibende Qualität bei einer hohen Produktivität gewährleistet werden. Des Weiteren soll ein Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Fertigungszelle angegeben werden.
Diese Aufgabe wird für eine Fertigungszelle durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben der Fertigungszelle ist Gegenstand des Patentanspruchs 2. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Demnach wird eine Fertigungszelle zur Schleifbearbeitung von Zahnradflanken, insbesondere von Kegelritzeln, und zur Radsatzprüfung vorgeschlagen, welche eine Kegelrad-Schleifmaschine, eine Kegelrad-Abrollprüfmaschine, eine Laserbeschriftungseinheit und ein Beladesystem umfasst, die miteinander verkettet und derart steuerbar sind, dass der Prozess „Ritzelschleifen/Radsatzprüfen/Beschriften” und die Korrektur der Schleifmaschineneinstellung in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Abrollprüfung automatisch durchführbar ist. Vorzugsweise ist das Beladesystem robotergestützt ausgeführt; die erfindungsgemäße Fertigungszelle weist zudem ein Taktband auf.
Die Fertigungszelle umfasst erfindungsgemäß eine Steuereinheit, in die eine Datenbank integriert ist, in der die Toleranzen sachnummernabhängig und das Prüfergebnis zusammen mit dem getroffenen Prüfentscheid und der Distanzierungsposition abgelegt sind.
Mit Hilfe dieses Fertigungssystems ist es aufgrund der verwendeten Berechnungsmethoden möglich, die Prüfhäufigkeit des Radsatzes automatisiert statistisch variabel als selbstregelnden Prozess festzulegen, wodurch die beschriebenen Nachteile der Bedienerabhängigkeit in vorteilhafter Weise vermieden werden.
Gemäß der Erfindung wird die Bedienerunabhängigkeit der Radsatzprüfung und der Beschriftung durch die Entwicklung einer Auswertestrategie zur automatischen Festlegung der optimalen Einbaudistanz des Kegelritzels erreicht.
Bei der Radsatzprüfung wird das Ritzel in verschiedenen zugeordneten Achslagen bzw. Prüfpunkten mit dem Tellerrad abgewälzt, wobei an jedem Prüfpunkt die Funktion der Drehübertragung (Einflankenwälzprüfung) bzw. die Schwingungsintensität der Prüfmaschine (Körperschallprüfung) gemessen und mittels einer Fourier-Analyse ausgewertet wird. Die gemessenen Amplitudenhöhen der tolerierten Frequenzbereiche werden nach dem Stand der Technik für vorgegebene Prüfpunkte vom Maschinenbediener mit den Grenzwerten verglichen. Diese Schritte werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bedienerunabhängig dargestellt.
Zu diesem Zweck sind alle Toleranzen in einer in der Steuereinheit enthaltenen Datenbank sachnummernabhängig abgelegt und über einen Onlinezugriff verfügbar, wobei die Toleranzen nicht an absoluten Prüfpunkten, wie beispielsweise durch ein theoretisches Einbaumaß + 0,1 mm, sondern in Abhängigkeit von dem noch zu findenden optimalen Einbaumaß definiert sind.
Gemäß der Erfindung wird der Prüfzyklus so eingestellt, dass die Prüfung an mehr Prüfpunkten durchgeführt wird, als Positionen toleriert sind, so dass eine Variabilität der möglichen Distanzierungspositionen und die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit für ein optimales Ergebnis erzielt wird.
Nach Abschluss der Abrollprüfung wird das Prüfergebnis automatisch ausgewertet. Dazu werden nacheinander alle gemessenen Prüfpunkte auf ihre Eignung als Distanzierungsposition überprüft. Wenn sich mehrere Prüfpositionen als geeignete Einbaupositionen erweisen, erfolgt die Auswahl über eine variabel definierbare Bewertungsgröße aus den Messergebnissen. Beispielsweise kann als Bewertungsgröße das minimal/maximal mögliche Einbaumaß oder die Position mit dem geringsten Summenpegel von definierbaren Ordnungen herangezogen werden.
Das Prüfergebnis wird anschließend zusammen mit dem getroffenen Prüfentscheid und der Distanzierungsposition in einer Datenbank hinterlegt. Diese Datenbank bildet die Grundlage für eine nachfolgende automatische Korrektur der Schleifmaschine und sichert die Rückverfolgbarkeit/Dokumentation im Falle einer Kundenreklamation.
Des weiteren kann das ermittelte Einbaumaß automatisch an die Beschriftungseinheit übertragen werden.
Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, den Schleifprozess im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem die Regelung des Schleifprozesses aufgrund geometrischer Merkmale der erzeugten Zahnflanke über eine 3D-Messung erfolgt, mit statistischen Methoden zu führen. Mit der aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise kann die Geräuschqualität eines Kegelradsatzes nicht immer sichergestellt werden, so dass zusätzlich die Abrollprüfung durchgeführt wird. Aufgrund dieser Ergebnisse werden vom Schleifmaschinenbediener Feinkorrekturen vorgenommen, die auf seiner Erfahrung beruhen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Schleifprozesses wird in einer rechnerischen Analyse auf Basis eines Einflusszahlenmodells der theoretische Zusammenhang zwischen der Korrektur einer Maschinenachse und der Auswirkung auf die Zahneingriffsharmonischen bei verschiedenen Einbaudistanzen ermittelt. Zu diesem Zweck wird eine Simulation des Fertigungsprozesses und der Abwälzprüfung durchgeführt. Mit Hilfe der theoretischen Einflusszahlenmatrix wird über eine Prozessregelsoftware die Schleifmaschine automatisch korri-giert, wobei aus dem Prüfergebnis mittels einer Einflusszahlenrechnung die erforderliche Maschinenkorrektur ermittelt wird, um eine definierte Sollkonfiguration der Zahneingriffsharmonischen zu erreichen. Erfindungsgemäß wird zur Erzielung eines Selbstlernprozesses jede Einflusszahl mit einem individuellen Wirkkoeffizienten multipliziert, wobei die Ermittlung/Anpassung der Wirkkoeffizienten kontinuierlich über einen Vergleich der erwarteten mit der tatsächlich eingetretenen Wirkung der Maschinenkorrektur anhand der in der Online-Datenbank abgelegten Prüfergebnisse erfolgt.
Die in der Online-Datenbank hinterlegten Prüfergebnisse können über ein Programmmodul statistisch ausgewertet und in Relation zu den Eingriffsgrenzen gesetzt werden. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Prüfhäufigkeit in Abhängigkeit von der Prozessstabilität automatisch variabel festzulegen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figur, welche eine mögliche Anordnung der wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Fertigungszelle schematisch darstellt, beispielhaft näher erläutert.
Gemäß der Figur umfasst die erfindungsgemäße Fertigungszelle eine Kegelrad-Schleifmaschine 1, eine Kegelrad-Abrollprüfmaschine 2, eine Laserbeschriftungseinheit 3 mit einem Taktband 5 und ein vorzugsweise robotergestütztes Beladesystem 4. Der Roboter ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 6 versehen. Die einzelnen Elemente der Fertigungszelle sind miteinander verkettet und derart über eine Steuereinheit steuerbar, dass der Prozess Ritzelschleifen/Radsatzprüfen/Beschriften und die Korrektur der Schleifmaschineneinstellung in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Abrollprüfung automatisch durchführbar ist, wie bereits erläutert.
Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird eine Automatisierung des Fertigungsprozesses durch die Entwicklung von Methoden zur automatischen Radsatzdistanzierung und Schleifmaschinenkorrektur aufgrund des Prüfergebnisses erzielt.
Bezugszeichenliste

1: Kegelrad-Schleifmaschine
2: Kegelrad-Abrollprüfmaschine
3: Laserbeschriftungseinheit
4: Beladesystem
5: Taktband
6: Roboter

Claims

Fertigungszelle zur Schleifbearbeitung von Zahnradflanken von Kegelritzeln und zur Radsatzprüfung, umfassend eine Kegelrad-Schleifmaschine (1), eine Kegelrad-Abrollprüfmaschine (2), eine Laserbeschriftungseinheit (3) mit einem Taktband (5), sowie ein robotergestütztes Beladesystem (4), die miteinander verkettet und von einer Steuereinheit derart steuerbar sind, dass der Prozess „Ritzelschleifen/Radsatzprüfen/Beschriften” und die Korrektur der Schleifmaschineneinstellung in Abhängigkeit von den Ergebnissen einer Abrollprüfung automatisch durchführbar ist, wobei in die Steuereinheit eine Datenbank integriert ist, in der die zulässigen Toleranzen der Kegelritzel sachnummernabhängig und das Prüfergebnis zusammen mit dem getroffenen Prüfentscheid und der ermittelten Distanzierungsposition ablegbar sind.
Verfahren zum Betreiben einer Fertigungszelle zur Schleifbearbeitung von Zahnradflanken von Kegelritzeln und zur Radsatzprüfung, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess „Ritzelschleifen/Radsatzprüfen/Beschriften” und die Korrektur der Schleifmaschineneinstellung von einer Steuereinheit in Abhängigkeit von den Ergebnissen der Abrollprüfung automatisch durchgeführt wird, wobei • alle Toleranzen der Kegelritzel in einer Datenbank der Steuereinheit sachnummernabhängig abgelegt und über einen Onlinezugriff verfügbar sind, • die zu den Toleranzen gehörenden Prüfpositionen in Abhängigkeit von dem optimalen Einbaumaß definiert sind, • der Schleifprozess durchgeführt wird, • nach dem Schleifen eine Abrollprüfung durchgeführt wird, deren Prüfzyklus so eingestellt wird, dass die Prüfung an mehr Prüfpunkten durchgeführt wird als Positionen toleriert sind, sodass eine Variabilität der möglichen Distanzierungspositionen und die Erhöhung der Wahrscheinlichkeit für ein optimales Ergebnis erzielt wird, • nach Abschluss der Abrollprüfung das Prüfergebnis automatisch ausgewertet wird, • zur Auswertung des Prüfergebnisses alle gemessenen Prüfpunkte nacheinander auf ihre Eignung als Distanzierungsposition überprüft werden, • dann, wenn sich mehrere Prüfpositionen als geeignete Einbaupositionen erweisen, die Auswahl über eine variabel definierbare Bewertungsgröße aus den Messergebnissen erfolgt, • das Prüfergebnis zusammen mit dem getroffenen Prüfentscheid und der ermittelten Distanzierungsposition in der Datenbank hinterlegt wird, und • die Distanzierungsposition als ermitteltes Einbaumaß automatisch an eine Beschriftungseinheit übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Bewertungsgröße das minimal mögliche Einbaumaß oder das maximal mögliche Einbaumaß oder die Position mit dem geringsten Summenpegel von definierbaren Schwingungs-Ordnungen herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifprozess mit statistischen Methoden geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Schleifprozesses in einer rechnerischen Analyse auf Basis eines Einflusszahlenmodells der theoretische Zusammenhang zwischen der Korrektur einer Maschinenachse und der Auswirkung auf die Zahneingriffsharmonischen bei verschiedenen Einbaudistanzen ermittelt wird, wobei zu diesem Zweck eine Simulation des Fertigungsprozesses und der Abwälzprüfung durchgeführt wird, wobei mit Hilfe der theoretischen Einflusszahlenmatrix über eine Prozessregelsoftware die Schleifmaschine automatisch korrigiert wird, und wobei aus dem Prüfergebnis mittels einer Einflusszahlenrechnung die erforderliche Maschinenkorrektur ermittelt wird, um eine definierte Sollkonfiguration der Zahneingriffsharmonischen zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines Selbstlernprozesses jede Einflusszahl mit einem individuellen Wirkkoeffizienten multipliziert wird, wobei die Ermittlung bzw. Anpassung der Wirkkoeffizienten kontinuierlich über einen Vergleich der erwarteten mit der tatsächlich eingetretenen Wirkung der Maschinenkorrektur anhand der in der Datenbank abgelegten Prüfergebnisse erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfhäufigkeit des Radsatzes automatisiert statistisch variabel als selbstregelnder Prozess festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Datenbank hinterlegten Prüfergebnisse über ein Programmmodul statistisch ausgewertet und in Relation zu den Eingriffsgrenzen gesetzt werden, so dass die Prüfhäufigkeit in Abhängigkeit von der Prozessstabilität automatisch variabel festgelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fertigungszelle nach Anspruch 1 betrieben wird.
Verfahren zum Betreiben einer Fertigungszelle nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfergebnis zusammen mit dem getroffenen Prüfentscheid und der Distanzierungsposition in einer Datenbank hinterlegt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Fertigungszelle nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das ermittelte Einbaumaß automatisch an die Beschriftungseinheit übertragen wird.
Verfahren zum Betreiben einer Fertigungszelle nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifprozess mit statistischen Methoden geführt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Fertigungszelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Schleifprozesses in einer rechnerischen Analyse auf Basis eines Einflusszahlenmodells der theoretische Zusammenhang zwischen der Korrektur einer Maschinenachse und der Auswirkung auf die Zahneingriffsharmonischen bei verschiedenen Einbaudistanzen ermittelt wird, wobei zu diesem Zweck eine Simulation des Fertigungsprozesses und der Abwälzprüfung durchgeführt wird, wobei mit Hilfe der theoretischen Einflusszahlenmatrix über eine Prozessregelsoftware die Schleifmaschine automatisch korrigiert wird, und wobei aus dem Prüfergebnis mittels einer Einflusszahlenrechnung die erforderliche Maschinenkorrektur ermittelt wird, um eine definierte Sollkonfiguration der Zahneingriffsharmonischen zu erreichen.
Verfahren zum Betreiben einer Fertigungszelle nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines Selbstlernprozesses jede Einflusszahl mit einem individuellen Wirkkoeffizienten multipliziert wird, wobei die Ermittlung bzw. Anpassung der Wirkkoeffizienten kontinuierlich über einen Vergleich der erwarteten mit der tatsächlich eingetretenen Wirkung der Maschinenkorrektur anhand der in der Datenbank abgelegten Prüfergebnisse erfolgt.
Verfahren zum Betreiben einer Fertigungszelle nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Datenbank hinterlegten Prüfergebnisse über ein Programmmodul statistisch ausgewertet und in Relation zu den Eingriffsgrenzen gesetzt werden, so dass die Prüfhäufigkeit in Abhängigkeit von der Prozessstabilität automatisch variabel festgelegt wird.