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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Anspruch 1 und ein Werkzeug nach dem nebengeordneten Anspruch.
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Stand der Technik
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Kurvenscheibengetriebe, wie sie beispielsweise aus der
DE 10 2007 019 607 A1 bekannt sind, weisen radial verschiebliche, durch eine Kurvenscheibe angetriebene Zähne auf, welche in ein Hohlrad eingreifen. Die Kinematik ist aufgrund der Laufunterschiede des Zahnkranzes mit den Zähnen gegenüber dem Hohlrad komplex. Eine geeignete Geometrie für die Verzahnung zu berechnen oder zu ermitteln ist dementsprechend schwierig, ein Beispiel für eine Geometrie der Verzahnung ist der
DE 10 2007 011 175 A1 zu entnehmen. Bei Zahnrädern oder Zahnstangen können ebenso komplexe Geometrien erforderlich sein, deren Ermittlung schwierig sein kann. Es besteht ein Bedarf, auf einfache Weise eine Geometrie eines Hohlrades oder eines Zahnes für Kurvenscheibengetriebe, eines Zahnrades oder einer Zahnstange zu ermitteln.
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Für das Herstellen von innen verzahnten Hohlrädern ist das spanende Herstellverfahren des Wälzschälens bekannt. So zeigt die
DE 10 2008 037 514 A1 eine Wälzschälvorrichtung und ein Wälzschälverfahren, wobei zum Verzahnen des Hohlrades ein Werkzeug mit einer gegenüber der Achse des Hohlrades verkippten Rotationsachse verwendet wird. Das Werkzeug, auch Schälrad genannt, wird um die genannte verkippte Achse rotiert. Gleichzeitig wird das Werkrad mit einer um eine Werkstückdrehachse drehangetriebenen Werkstückspindel rotiert. Für genauere Information zum Wälzschälen wird auf die oben genannte deutsche Veröffentlichungsschrift verwiesen.
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Die Kinematik des Wälzschälens ist im Vergleich zu anderen Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise dem Fräsen oder Stoßen, komplex. Auf Seiten der Maschinensteuerung muss außerdem gewährleistet sein, dass die Rotation des Werkzeugs einerseits und des Werkstücks andererseits exakt aufeinander abgestimmt sind, um die gewünschte Zahngeometrie zu erreichen. In Kombination mit einer rechnerisch schwierigen Ermittlung der Geometrie beim Wälzschälprozess führte dies dazu, dass Wälzschälverfahren in der Vergangenheit empirisch eingesetzt wurden. Der empirische Einsatz von Herstellungsverfahren bedingt jedoch einen großen Aufwand zur Ermittlung der richtigen Prozessparameter und ist außerdem wenig flexibel, falls beispielsweise Änderungen an der Werkstückgeometrie vorgenommen werden sollen.
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Die mangelnde Flexibilität macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn besondere Verzahnungsgeometrien herzustellen sind. So werden für Kurvenscheibengetriebe mit radial beweglichen Zähnen, wie sie beispielsweise aus der
DE 10 2007 016 189 A1 bekannt sind, Hohlräder mit einer vergleichsweise komplexen Zahngeometrie benötigt, um eine zuverlässige Verzahnung sicherzustellen. Für diese vergleichsweise komplexen Zahnungen ist es schwierig, geeignete Prozessparameter für einen Wälzschälprozess zu bestimmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Auslegung einer Geometrie eines Elementes, insbesondere eines Werkstückes oder eines Werkzeugs anzugeben, wobei Nachteile aus dem Stand der Technik behoben oder vermindert werden sollen. Insbesondere soll ein Verfahren geschaffen werden, mit welchem eine Zahnung eines Hohlrades, insbesondere eines Hohlrades eines Kurvenscheibengetriebes, eines Zahnrades oder einer Zahnstange ermittelt werden kann, oder eine solche Geometrie vorgegeben werden kann, um ein entsprechendes Werkzeug für einen Herstellprozess, insbesondere einen Wälzschälprozess anzugeben.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Hohlrad oder ein Werkzeug nach dem nebengeordneten Ansprüchen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise eine Boolesche Operation verwendet, um eine Geometrie, d. h. eine Werkzeuggeometrie oder eine Werkstückgeometrie auszulegen. Ziel ist bei typischen Ausführungsformen, anhand einer gegebenen Außenkontur eines mit dem Werkzeug herzustellenden Werkstücks eine Werkzeuggeometrie zu ermitteln. Dabei ist vorzugsweise das Werkzeug das Element, das Werkstück der Körper und die Werkzeuggeometrie die zu ermittelnde Geometrie. Hierzu wird die Kinematik des Herstellprozesses des Werkstücks festgelegt. Die Kinematik oder Herstellungskinematik beschreibt dabei vorzugsweise die relative Bewegung des Werkzeugs zum Werkstück bei der Bearbeitung des Werkstücks durch das Werkzeug. Besonders bevorzugte Kinematiken umfassen ein Wälzschälen zum Herstellen des Werkstücks, insbesondere eines Hohlrades, ein Fräsen oder ein Stoßen zum Herstellen eines Werkstückes, insbesondere eines Werkstückes mit einer Zahnung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die Planung eines Wälzschäl-Prozesses besonders geeignet, da beim Wälzschälen komplexe geometrische Zusammenhänge und Kinematiken existieren, sodass eine analytische Berechnung einer idealen Werkzeuggeometrie schwierig ist. Hier bieten erfindungsgemäße Verfahren besondere Vorteile.
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Mit Außenkontur wird hierin insbesondere die umhüllende Geometrie des Körpers bezeichnet, welche für eine Boolesche Operation zum Ermitteln von sich überschneidenden Bereichen vorteilhafterweise eingesetzt werden kann. Die Außenkontur liegt vorzugsweise in Form von CAD-Daten vor, welche leicht eingelesen werden können.
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Typische Ausführungsformen sind geeignet, mit einer vorgegebenen Kinematik die Geometrie eines Werkstücks, insbesondere eines Maschinenelementes, beispielsweise eines Hohlrades eines Kurvenscheibengetriebes oder eines Ritzels oder einer Zahnstange zu ermitteln. Die Kinematik entspricht vorzugsweise der Kinematik eines Getriebes, in welchem das Werkstück verbaut ist. Vorzugsweise ist das Element ein Hohlrad und der Körper ein Zahn einer Mehrzahl von radial verschiebbaren Zähnen eines Kurvenscheibengetriebes. Die Kinematik bewegt den Zahn relativ zu dem Hohlrad, um die Zahnung des Hohlrades zu ermitteln. Kurvenscheibengetriebe sind beispielsweise aus der DE
DE 10 2007 019 607 A1 bekannt und umfassen üblicherweise eine innen liegende Kurvenscheibe, welche eine Mehrzahl von radial beweglichen Zähnen antreibt, die in ein Hohlrad eingreifen. Die Zähne sind üblicherweise in einem Zahnkäfig radial beweglich gelagert.
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Bei der Ermittlung der Geometrie eines Hohlrades ist es bei einem Kurvenscheibengetriebe möglich, einen Zahn oder die Zähne an dem Außenumfang der Kurvenscheibe in radialer Richtung zwangsgeführt zu halten, wobei in Richtung des Außenumfangs eine Bewegung entsprechend der Drehzahl des Zahnkäfigs, in welchem der Zahn aufgenommen ist, erfolgt. Dadurch wird der Zahn bei der Ermittlung der Geometrie in einem bevorzugten Verfahren so geführt, wie der Zahn in dem entsprechenden Getriebe auch bewegt wird. Bei bevorzugten Verfahren wird die Bewegung des Zahnes vorgegeben an Hand der Kinematik des geplanten Getriebes. Bei Kurvenscheibengetrieben werden im Betrieb die radial beweglichen Zähne in ihrer radialen Bewegung auch durch die Zähne des Hohlrades geführt. Bei der Auslegung der Geometrie eines Hohlrades mit einem typischen Verfahren der Erfindung werden die radial beweglichen Zähne nicht durch die Zähne des Hohlrades geführt, sondern werden vorzugsweise in einer Mehrkorpersimulation mit vorgegebener Kinematik geführt.
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Bei weiteren typischen Ausführungsformen der Erfindung wird ein Hohlrad eines Kurvenscheibengetriebes mit Zahnung vorgegeben und die Geometrie eines radial beweglichen Zahnes des Kurvenscheibengetriebes ermittelt. Der radial bewegliche Zahn ist dabei das Element des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dies bietet den Vorteil, dass nur für einen Zahn eine Geometrie ermittelt werden muss, welche für alle radial beweglichen Zähne des Kurvenscheibengetriebes verwendet werden kann.
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Bei typischen Ausführungsformen ist das Element ein Werkstück und der Körper ein vorgegebenes Maschinenelement, welches mit dem Werkstück bei einem Einbau in einem Getriebe in Eingriff steht, beispielsweise zwei Zahnräder, ein Zahnrad und ein Hohlrad, oder ein radial beweglicher Zahn mit einem Hohlrad, wobei jeweils beide Eingriffspartner sowohl als Element als auch als Körper verwendet bzw. berechnet oder ermittelt werden können. Bei weiteren typischen Ausführungsformen ist das Element ein Werkzeug und der Körper ein in einem Herstellprozess zu bearbeitendes Werkstück.
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Während der Simulation des Herstellprozesses mit einem virtuellen Rohling für das Werkzeug werden vorzugsweise Boolesche Operationen zwischen virtuellem Rohling und dem Körper mit der vorgegebenen Außenkontur verwendet, um Volumenelemente des Rohlings zu ermitteln, welche sich innerhalb der Grenzen oder innerhalb des Volumens des Werkstückkörpers befinden.
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Boolesche Operationen bieten den Vorteil, dass sie rechnergestützt leicht durchführbar sind. Bevorzugt wird das Verfahren auf einem Computer durchgeführt. Bei bevorzugten Ausführungsformen werden Mehrkorpersimulationen für die Bewegung des Elementes und des Körpers relativ zueinander eingesetzt und um Boolesche Operationen zur Ermittlung der Geometrie erweitert. In der Mehrkörpersimulation werden das Element und der Körper jeweils vorzugsweise als starr angenommen, wobei bei Überschneidungen der Volumen von Element und Körper mit einer Booleschen Operation die entsprechenden Volumenelemente des Elementes identifiziert werden.
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Der virtuelle Rohling wird nach einem simulierten finiten Bewegungsschritt, bei welchem die sich überschneidenden Volumenelemente vorzugsweise mittels Boolescher Operationen ermittelt werden, durch Entfernen der ermittelten Volumenelemente angepasst. Auf diese Weise wird von dem Rohling virtuell Material abgetragen, welches sich mit der Außenkontur des Körpers, insbesondere des Werkstücks oder des Maschinenelementes, beispielsweise des Zahnes, überschneiden würde. Auf diese Weise wird bevorzugt mit mehreren finiten Bewegungs-Schritten der Rohling immer mehr angepasst, sodass er nach einer ausreichenden Anzahl von Schritten die gesuchte Geometrie aufweist.
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Vorzugsweise wird das Verfahren mit dem Wiederholen der finiten Bewegungsschritte und dem Anpassen des Rohlings durchgeführt, bis die Geometrie zumindest eines Segmentes ermittelt wurde. Ein Segment entspricht vorzugsweise einem Zahnabstand der Zahnung, dessen Geometrie ermittelt wird. Vorteilhafterweise wird für die Ermittlung der Geometrie der übrigen Zähne der Zahnung die Geometrie dieses Segmentes kopiert. Dies ermöglicht einen schnellen Berechnungsprozess. Eine weitere Möglichkeit ist, die Bewegungsschritte zu wiederholen, bis bei einer vollständigen Umdrehung des virtuellen Rohlings oder des virtuellen Werkstücks keine Volumenelemente mehr ermittelt werden können, welche sich überschneiden.
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Die angepasste Geometrie des Rohlings nach den Anpassungsschritten oder dem Anpassungsschritt wird als angepasste Rohling-Geometrie vorzugsweise dazu verwendet, die zu ermittelnde Geometrie des Elementes, bspw. des Werkzeugs oder des Werkstückes, zu erzeugen. Dabei wird bei typischen Ausführungsformen die Geometrie noch gegenüber der angepassten Rohling-Geometrie verändert, beispielsweise um Schneidprozesse zu optimieren oder um die Werkzeugstabilität zu erhöhen. Vorzugsweise wird anhand der angepassten Rohling-Geometrie oder anhand der ermittelten Geometrie das Werkzeug oder das Werkstück, wie beispielsweise das Hohlrad, hergestellt. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird die angepasste Rohling-Geometrie selbst als Geometrie verwendet.
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Bevorzugte Herstellprozesse umfassen Wälzschälen, Fräsen oder andere Metallbearbeitungsverfahren. Bei dem Werkstück als Körper für die Ermittlung einer Geometrie eines Werkzeugs als Element handelt es sich vorzugweise um ein Zahnrad, insbesondere ein Hohlrad mit einer Innenverzahnung, oder um eine Zahnstange, insbesondere eines Ritzel-Zahnstangen-Antriebs. Wälzschälprozesse eignen sich insbesondere für die Herstellung der Zahnung eines Hohlrades, da für ein Fräsen bei kleinen Hohlrädern nicht ausreichend Platz vorhanden sein kann. Mit dem Begriff „Zahnung” werden hierin insbesondere die Zähne oder die Form der Zähne eines Wälzschälrades oder eines Hohlrades bezeichnet. Die Zähne eines bevorzugten Wälzschälrades dienen dazu, die Zähne eines Hohlrades herzustellen. Mit „Verzahnung” ist insbesondere die Geometrie und die Kinematik ineinander greifender Zähne gemeint, beispielsweise, aber nicht einschränkend, der radial beweglichen Zähne und der Hohlradzähne eines Kurvenscheibengetriebes.
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Vorzugsweise wird eine Schrittweite für den finiten Bewegungs-Schritt vor dem relativen Bewegen des Rohlings bezüglich des Werkstücks festgelegt und vorteilhafterweise die Schrittweite nach dem Ermitteln des Volumenelementes oder der Volumenelemente überprüft. Der finite Bewegungs-Schritt stellt eine Teilbewegung der während des Herstellprozesses stattfindenden vollständigen Bewegung dar. So werden beim Wälzschälen sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück rotiert, wobei die Rotationsachsen beim Wälzschälen in der Regel zueinander windschief sind. Bevorzugte Herstellprozesse umfassen Rotationen sowohl des Werkzeugs als auch des Werkstücks um windschiefe Achsen. Der finite Bewegungs-Schritt entspricht vorzugsweise einer Verschiebung oder Drehung des Elementes oder des Körpers, bevorzugt sowohl des Elementes als auch des Körpers, um jeweils einen finiten translatorischen Schritt oder um einen Winkelbetrag. Auch gemischte Bewegungen zusammengesetzt aus einem translatorischen Schritt und einem rotatorischen Schritt um einen Winkelbetrag sind vorzugsweise von dem Begriff „finiter Bewegungsschritt” umfasst.
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Beim Überprüfen der Schrittweite nach dem Ermitteln des Volumenelements wird vorzugsweise Überprüft, ob die Größe des Volumenelementes einen bestimmten Grenzwert übersteigt. Soweit hier von „dem Volumenelement” und dessen Größe die Rede ist, ist damit das Gesamtvolumen des in einem finiten Bewegungs-Schritt entfernten Volumens gemeint. Ein zu großes Volumen deutet darauf hin, dass der Bewegungs-Schritt unter Umständen zu groß ist. In diesem Fall wird die Schrittweite des finiten Bewegungs-Schrittes verringert. Vorzugsweise wird anschließend das Verfahren von Beginn an noch einmal durchgeführt, wobei der noch nicht angepasste virtuelle Rohling für den neuen Durchlauf verwendet wird. Dies bietet den Vorteil, dass bei der Ermittlung der Geometrie geometrische Unregelmäßigkeiten wie Sprünge oder Kanten vermieden werden. Weitere bevorzugte Möglichkeiten zur Überprüfung sind eine Bewertung durch einen Benutzer oder eine Analyse eines in dem finiten Bewegungsschritt anfallenden Spans, welcher aus der Booleschen Operation ermittelt wird.
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Weiterhin ist eine nachfolgende Simulation eines Herstellprozesses mit dem aus der Geometrie ermittelten Werkzeug vorteilhaft, um an Hand des simuliert hergestellten Werkstücks die ermittelte Geometrie des Werkzeugs zu überprüfen. Auf diese Weise wird ein Vergleich gegebenenfalls auch mehrerer verschiedener Geometrien, die bspw. mit unterschiedlicher finiter Schrittweite hergestellt wurden, durch einen Benutzer ermöglicht.
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Vorzugsweise wird nach dem Ermitteln der Geometrie eines Elementes, insbesondere eines Werkzeugs als Element, der Herstellprozess simuliert. Dabei wird vorzugsweise ein virtuelles Werkstück als Element mit der Kinematik bearbeitet, wobei ein virtuelles Werkzeug als Körper mit der zuvor ermittelten Geometrie als Außenkontur verwendet wird. Die Geometrie ist die zuvor durch Anpassen des Rohlings des Werkzeugs ermittelte Geometrie. Die Simulation des Herstellprozesses mit dem Werkzeug mit der ermittelten Geometrie entspricht also einer Umkehrung des zuvor angewendeten Verfahrens zur Ermittlung der Geometrie. Der Werkstückrohling entspricht in seinen Abmessungen dem im Herstellverfahren einzusetzenden Rohling. Dabei wird der Herstellprozess ebenfalls simuliert, indem das Werkzeug relativ zu dem Werkstückrohling in finiten Bewegungsschritten mit der Herstellungskinematik bewegt wird. Bei jedem finiten Bewegungsschritt wird wiederum überprüft, ob ein Volumenelement des Werkstückrohlings sich mit der Geometrie beziehungsweise dem Werkzeug überschneidet. Hierzu wird zweckmäßigerweise wiederum eine Boolesche Funktion eingesetzt, welche das Überschneiden der Körper überprüft. In dem Durchgang des Bearbeitens des Werkstückrohlings werden Volumenelemente des Werkstückrohlings entfernt. Dies geschieht vorzugsweise unter Verwendung einer Simulation des spanenden Herstellungsprozesses, sodass ein virtueller Span entsteht.
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Aus den ermittelten Volumenelementen oder dem ermittelten Volumenelement wird vorzugsweise bei jedem finiten Bewegungsschritt zumindest eine Spangeometrie ermittelt. Anschließend wird vorzugsweise die Spangeometrie überprüft, um den Herstellprozess zu überprüfen. Dabei wird die ermittelte Spangeometrie mit Grenzwerten, wie beispielsweise Länge oder Volumen des Spans, verglichen. Bei Überschreiten der Grenzwerte wird vorteilhafterweise einem Bediener eine entsprechende Meldung ausgegeben. Vorzugsweise wird bei Überschreiten der Grenzwerte für die Spangeometrie ein Parameter der Kinematik geändert, und das Verfahren von vorne begonnen, das heißt, dass noch einmal eine Werkzeuggeometrie ermittelt wird und diese anschließend in einem simulierten Herstellprozess überprüft wird. Dies bietet den Vorteil, dass zuverlässig bereits in der Simulation Probleme bei der Produktion aufgefunden werden können.
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Weitere bevorzugte Überprüfungsmöglichkeiten typischer Ausführungsformen sind eine Vergleichsanalyse zweier Geometrien von Werkzeugen, welche mit unterschiedlichen Kinematiken ermittelt wurden, bevorzugt auch in einem realen Herstellprozess, eine Umkehrung des Verfahrens, d. h. eine Simulation der Herstellung eines Werkstücks mit dem Werkzeug mit der ermittelten Geometrie und ein Abgleich des simuliert hergestellten Werkstücks mit einer Soll-Geometrie für das Werkstück oder eine optische Prüfung durch einen Benutzer.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist ein Hohlrad, dessen Geometrie mit einem der erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurde oder das mit einem Werkzeug, dessen Geometrie mit einem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurde, hergestellt wurde. Auch eine Kombination ist vorteilhaft, da sowohl für das Hohlrad als auch für das Werkzeug mit denselben Verfahren, die jeweils nur geringfügig angepasst sind, eine Geometrieermittlung möglich ist.
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Ein weiterer unabhängiger Gegenstand der Erfindung ist ein Werkzeug, welches nach Vorgaben einer Werkzeuggeometrie, welche mit einem der oben beschriebenen bevorzugten oder erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurde, hergestellt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anschließend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben, wobei die Zeichnung zeigt:
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1 zeigt in einem schematischen Ablaufdiagramm den Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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2 zeigt einem weiteren schematischen Ablaufdiagramm den Ablauf eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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In der 1 ist in einem schematischen Ablaufdiagramm ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auslegung einer Werkzeuggeometrie gezeigt. Unter Auslegung der Werkzeuggeometrie fallen dabei insbesondere auch das Testen der Werkzeuggeometrie in einem virtuellen Versuch oder das anschließende Herstellen und Verwenden des Werkzeugs, um die Werkzeuggeometrie zu testen.
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Das Verfahren startet mit einem Schritt
1. In einem Schritt
2 wird der Herstellprozess, insbesondere die Kinematik und die Art des Herstellprozesses, festgelegt. Bevorzugte Arten von Herstellungsprozessen sind das Wälzschälen oder das Fräsen. Insbesondere beim Wälzschälen ist außerdem die Kinematik festzulegen, wobei die relative Lage der Rotationsachsen von Werkstück als Körper des typischen Verfahrens und Werkzeug als Element des typischen Verfahrens festgelegt werden müssen. Mit dem Wälzschälverfahren wird vorzugsweise ein Hohlrad hergestellt oder die Zahnung des Hohlrades hergestellt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Geometrie eines Werkzeugs festgelegt, mit welchem die Zahnung eines Hohlrades eines Kurvenscheibengetriebes hergestellt werden kann. Das Kurvenscheibengetriebe weist eine innen liegende Kurvenscheibe mit einer, zwei oder mehr Ausbuchtungen auf. Typische Ausführungsformen weisen eine oder zwei Ausbuchtungen auf. Die Kurvenscheibe treibt radial verschiebliche Zähne an, welche in das konzentrisch zur Kurvenscheibe angeordnete Hohlrad eingreifen. Ein Kurvenscheibengetriebe im Sinne bevorzugter oder typischer Ausführungsformen der Erfindung ist in der
DE 10 2007 016 189 A1 gezeigt. Kurvenscheibengetriebe weisen eine besonders komplexe Ausgestaltung der Zahnung des Hohlrades auf, sodass der Herstellprozess mittels Wälzschälen ebenfalls komplex ist.
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Nach dem Festlegen der Kinematik im Schritt 2 wird im Schritt 3 aus CAD-Daten eine Außenkontur eines virtuellen Werkstückkörpers als Körper erstellt. Im Schritt 4 wird ein virtueller Rohling für das Werkzeug als Element des typischen Verfahrens durch Einlesen einer Rohling-Geometrie erstellt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Rohling ein Rohling für ein Schälrad für den Wälzschälprozess als Herstellprozess. Das Schälrad entspricht im Wesentlichen dem späteren Werkzeug, weist allerdings noch nicht die Zähne des Schälrades auf. Der Werkstückkörper ist das oben angesprochene Hohlrad für das Kurvenscheibengetriebe.
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In einem Schritt 5 wird die Schrittweite für finite Bewegungs-Schritte festgelegt. Dabei wird zunächst auf Erfahrungswerte zurückgegriffen, wobei die Schrittweite bei dem Wälzschälprozess einer Umdrehung um einen finiten Winkel kombiniert mit einer Verschiebung um eine finite Strecke des Rohlings oder des Werkstückkörpers entspricht. Beim Wälzschälen drehen sich das Werkstück und das Werkszeug mit unterschiedlichen Drehwinkelgeschwindigkeiten. Es ist ausreichend, eine Drehwinkelgeschwindigkeit festzulegen, da sich die jeweils andere Drehwinkelgeschwindigkeit aus der Kinematik des Herstellungsprozesses ergibt.
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Anschließend wird im Schritt 6 mit einer Mehrkörpersimulation der Rohling bezüglich des Werkstückkörpers mit der Herstellungskinematik um den finiten Bewegungs-Schritt relativ bewegt. Bei dieser Bewegung kann es passieren, dass sich der Rohling, das heißt der virtuelle Rohling, und der Werkstückkörper, das heißt der virtuelle Werkstückkörper, überschneiden. Dies wird im Schritt 7 mittels einer Booleschen Operation überprüft, wobei ermittelt wird, welches Volumenelement oder welche Volumenelemente des Rohlings sich innerhalb des Volumens des Werkstückkörpers befinden. Anschließend wird im Schritt 8 der Rohling durch Entfernen des ermittelten Volumenelements von dem Rohling angepasst, sodass keine Überschneidung mehr vorliegt.
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Der Vorteil der Kombination einer Mehrkorpersimulation für die Kinematik mit den Booleschen Operationen für das Ermitteln sich überschneidender Volumenelemente ist eine große Flexibilität. Mit Mehrkörpersimulationen können auch komplexe Bewegungsabläufe dargestellt werden, wobei eine anschließende Boolesche Operation mit den Daten der Mehrkörpersimulation durchgeführt werden kann.
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Im optionalen Schritt 10 wird zunächst die Größe des im Schritt 8 entfernten Volumenelementes berechnet und anschließend das ermittelte Volumen mit einem Grenzwert verglichen. Überschreitet das ermittelte Volumen den Grenzwert, ist dies ein Hinweis darauf, dass unter Umständen der finite Bewegungs-Schritt zu groß gewählt wurde. Bei einem zu groß gewählten Bewegungs-Schritt kann es passieren, dass die Werkzeuggeometrie nicht ausreichend exakt ermittelt wird. Daher wird im Schritt 10 beim Feststellen, dass das Volumen größer ist als der Grenzwert, entschieden, dass zu dem Schritt 5 zurückgesprungen wird, in welchem erneut eine Bewegungs-Schrittweite festgelegt wird. Die nunmehr im Schritt 5 festgelegte Bewegungs-Schrittweite beziehungsweise die Größe des finiten Bewegungs-Schrittes ist dabei kleiner als bei dem vorherigen Durchgang. Vorzugsweise wird der finite Bewegungs-Schritt um mindestens 20%, bevorzugter mindestens 30% oder mindestens 50% verringert.
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Wird im optionalen Schritt 10 hingegen festgestellt, dass das Volumen des entfernten Volumenelementes unterhalb des Grenzwertes liegt, springt das Verfahren zu einem Schritt 11. Im Schritt 11 wird überprüft, ob der Herstellprozess bereits zu einem ausreichenden Maß durchlaufen wurde. Es ist bei sich wiederholenden Geometrien wie einem Hohlrad mit einer Zahnung nicht notwendig, das Verfahren vollständig für die gesamte Geometrie durchzuführen, vielmehr wird bevorzugt, nur die Geometrie eines sich wiederholenden Segmentes zu ermitteln und diese Geometrie zu verwenden, um die Gesamtgeometrie durch Kopieren zu ermitteln. Stellt das Verfahren im Schritt 11 fest, dass der Herstellprozess noch nicht bis zu einer festgelegten Segmentgrenze durchlaufen wurde, springt das Verfahren zum Schritt 6 zurück, in welchem mit dem nächsten finiten Bewegungs-Schritt fortgefahren wird.
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Nach Beendigung und vollständigem Durchlaufen des Verfahrens im Schritt 11 springt das Verfahren zu einem Schritt 12, in welchem aus dem angepassten Rohling die Werkzeuggeometrie ermittelt wird. Vorzugsweise entspricht der durch Entfernen der ermittelten Volumenelemente angepasste Rohling der Werkzeuggeometrie.
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Anschließend wird die mit dem Verfahren zur Auslegung der Werkzeuggeometrie gefundene Werkzeuggeometrie überprüft, indem das Herstellungsverfahren simuliert wird. Dabei werden grundsätzlich dieselben oder ähnliche Routinen verwendet wie beim Anpassen des Rohlings, nämlich Mehrkörpersimulation für die Simulation der Kinematik und Boolesche Operationen zum Auffinden von sich überschneidenden Volumenelementen. Allerdings wird bei der Simulation des Herstellprozesses überprüft, welche Volumenelemente durch das Werkzeug abgetragen werden. Im Schritt 15 wird ein virtuelles Werkzeug mit der in den vorherigen Verfahrensschritten ermittelten Werkzeuggeometrie festgelegt. Dieses virtuelle Werkzeug wird verwendet, um einen virtuellen Werkstückrohling, welcher im Verfahrensschritt 16 festgelegt wird, zu bearbeiten. Der Werkstückrohling entspricht im bevorzugten Ausführungsbeispiel einem Hohlrad, in welches noch keine Zahnung eingearbeitet wurde. In den Schritten 17 bis 19 werden die Verfahrensschritte 6 bis 8 entsprechend ausgeführt, wobei in den Schritten 17 bis 19 der Werkstückrohling angepasst wird.
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Dies entspricht dem tatsächlichen Herstellprozess. Dabei wird wiederum die Herstellungskinematik, also die Wälzschälkinematik verwendet, wobei das Werkzeug das Schälrad ist. Die finiten Bewegungs-Schritte im Schritt 17 entsprechen den zuletzt im Schritt 5 festgelegten Schrittweiten.
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Im Schritt 20 wird wiederum überprüft, ob der Schälprozess bereits ausreichend durchlaufen wurde und bei einem noch nicht ausreichend durchlaufenden Herstellprozess wird zum Schritt 17 zurückgesprungen. Der Ausdruck „ausreichend” bezeichnet dabei vorzugsweise, dass die bisherigen finiten Bewegungsschritte in einer Mehrkörpersimulation mit anschließendem Entfernen von mit Booleschen Operationen ermittelten Volumenelementen ausreichen, um die zu ermittelnde Geometrie zu bestimmen. Typische Verfahren von Ausführungsformen der Erfindung verwenden eine zuvor bestimmte Anzahl finiter Bewegungsschritte, nach welcher die Simulation des Herstellprozesses beendet wird (Schritt 20).
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Nach Beenden des Herstellprozesses werden optional bei bevorzugten Ausführungsformen die simulierten Späne untersucht. Dabei wird vorzugsweise die Form und Größe der Späne überprüft. Erfüllt die Geometrie der Späne, also die Form oder das Volumen, nicht zuvor bestimmte Kriterien, wird in einem Schritt 22 eine entsprechende Information an einen Benutzer ausgegeben. Der Benutzer kann dann entscheiden, ob er das Verfahren ab Schritt 2 noch einmal mit einer geänderten Kinematik durchführt oder ob lediglich die Schrittweite der Bewegungs-Schritte (Schritt 5) geändert werden soll.
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Erfüllen die Späne die Anforderungen, wird im Schritt 23 das Werkzeug hergestellt. Mit diesem Werkzeug werden dann im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel die Zahnungen der Hohlräder im Wälzschälverfahren hergestellt. Das Verfahren endet mit einem Schritt 24.
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In der 2 ist in einem schematischen Ablaufdiagramm der Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, mit welchem die Geometrie eines Hohlrades für ein Kurvenscheibengetriebe ermittelt wird.
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Das Verfahren startet mit einem Schritt 51. In einem Schritt 52 wird beispielsweise an Hand von CAD-Daten die Außenkontur eines Zahnes von einer Mehrzahl von radial verschieblichen Zähnen eines Kurvenscheibengetriebes eingelesen. Die Bewegung des Zahnes ist durch die Kurvenscheibe und durch die Drehung der Kurvenscheibe festgelegt, wobei die Kinematik der Bewegung des Zahnes im Schritt 53 festgelegt wird. Der Zahn stellt dabei den Körper des erfindungsgemäßen Verfahrens dar.
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Im Schritt 54 wird ein virtueller Rohling für das Element durch Einlesen einer Rohling-Geometrie erstellt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Element ein Hohlrad. Der virtuelle Rohling entspricht im Wesentlichen dem späteren Hohlrad, weist allerdings noch nicht die Zähne des Hohlrades auf.
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In einem Schritt 55 wird die Schrittweite für finite Bewegungs-Schritte festgelegt. Die Schrittweite entspricht bei der Kinematik des Kurvenscheibengetriebes einer Kombination aus einem finiten translatorischen und einem finiten rotatorischen Bewegungsanteil für die Bewegung des Körpers (Zahn) relativ zu dem Rohling (Hohlrad).
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Anschließend wird im Schritt 56 der Körper bezüglich des Rohlings mit der Kinematik um den finiten Bewegungs-Schritt in einer Mehrkorpersimulation relativ bewegt. Bei dieser Bewegung kann es passieren, dass sich der Rohling, das heißt der virtuelle Rohling, und der Körper, das heißt bei diesem Ausführungsbeispiel der Zahn, überschneiden. Dies wird mittels einer Booleschen Operation im Schritt 57 überprüft, wobei überprüft wird, welches Volumenelement oder welche Volumenelemente des Rohlings sich innerhalb des Volumens des Körpers befinden. Anschließend wird im Schritt 58 der Rohling durch Entfernen des ermittelten Volumenelements von dem Rohling angepasst, sodass keine Überschneidung mehr vorliegt.
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Im Schritt 61 wird überprüft, ob der Zahn bezüglich des Hohlrades bereits um eine Zahnbreite weiterbewegt wurde. Stellt das Verfahren im Schritt 61 fest, dass der Zahn noch nicht um eine volle Zahnbreite weiterbewegt wurde, springt das Verfahren zum Schritt 56 zurück, in welchem mit dem nächsten finiten Bewegungs-Schritt fortgefahren wird. Es wird bevorzugt, eine Anzahl von Durchläufen für das Verfahren festzulegen. Im Schritt 61 muss lediglich überprüft werden, ob diese Anzahl bereits erreicht ist. Die Anzahl ergibt sich aus dem geforderten Gesamtweg für die Simulation geteilt durch die finite Schrittweite eines einzelnen Schrittes.
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Nach Beendigung und vollständigem Durchlaufen des Verfahrens im Schritt 61 springt das Verfahren zu einem Schritt 62, in welchem aus dem angepassten Rohling die Geometrie des Hohlrades durch Kopieren des einen ermittelten Segments der Zahnung auf den übrigen Umfang des Hohlrades erstellt wird.
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Anschließend wird in einem Schritt 63 die gefundene Geometrie überprüft, indem die Kinematik für das vollständige Kurvenscheibengetriebe mit allen radial beweglichen Zähnen simuliert wird. Dabei werden grundsätzlich dieselben oder ähnliche Routinen verwendet wie beim Anpassen des Rohlings, nämlich eine Mehrkörpersimulation für die Bewegung der einzelnen Teile des Kurvenscheibengetriebes mit Booleschen Operationen zum Auffinden von sich überschneidenden Volumenelementen. Werden im Schritt 63 noch überschneidende Volumenelemente festgestellt, wird eine Warnung an einen Benutzer ausgegeben.
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Die gefundene Geometrie des Hohlrades kann verwendet werden, um die Geometrie eines Werkzeugs nach dem oben im Zusammenhang mit der 1 beschriebenen Verfahren herzustellen.
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Das Verfahren ist nicht auf das zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007019607 A1 [0002, 0010]
- DE 102007011175 A1 [0002]
- DE 102008037514 A1 [0003]
- DE 102007016189 A1 [0005, 0032]
