DE3752009T2

DE3752009T2 - Mehrfachachsenzahnradwälzmaschine zur herstellung von kegelrädern und hypoidrädern

Info

Publication number: DE3752009T2
Application number: DE3752009T
Authority: DE
Inventors: Ernst Hunkeler; Theodore Krenzer
Original assignee: Gleason Works
Current assignee: Gleason Works
Priority date: 1987-08-24
Filing date: 1987-08-24
Publication date: 1997-06-12
Anticipated expiration: 2007-08-25
Also published as: AU615165B2; DE3752340T2; US4981402A; DE3752009T3; EP0374139A1; AU627120B2; JPH02502358A; EP0374139B1; DE3752009D1; CA1332457C; CA1322035C; AU7842991A; AU7912787A; EP0374139B2; DE3752340D1; WO1989001838A1; JPH0785843B2; KR930001124B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Maschinen und Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 7 (siehe z.B. M.G. Segal: "Characteristics of the Components of the Machine Tools with Numerical Program Control for Machining Round Teeth of Conical and Hypoid Transmissions", Mezhduzovskii Scientific Symposium "Study of the Precision and Productivity of Tooth Machining Tools and Tools". Saratov, Saratov Polytechnical Institute, 1985, S. 19-23) und Anspruch 5 bzw. 8 (siehe z.B. L.I. Sheiko und N.M. Buyanov: "Structure of the Coordinate Components of Tooth Machining Tools for Conical Gears", Mezhduzovskii Scientific Symposium "Study of the Precision and Productivity of Tooth Machining Tools and Tools". Saratov, Saratov Polytechnical Institute, 1985, S. 60-65) zur Erzeugung im Abwälzverfahren von in Längsrichtung gekrümmten Zahnzwischenräumen in Kegelrädern und Hypoidrädern. Insbesondere betrifft die Erfindung CNC-gesteuerte Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen und Verfahren, bei denen eine verringerte Anzahl beweglicher Maschinenachsen für das Einrichten und den Betrieb erforderlich ist.
Der Ausdruck "Kegelrad und Hypoidrad" bezieht sich hierin entweder auf eine oder beide Arten von Zahnrädern, da auf dem Gebiet der Erfindung keine einheitliche Auffassung darüber besteht, ob einer der Ausdrücke (Kegelrad bzw. Hypoidrad) als Oberbegriff für den jeweils anderen verwendet werden kann. Gleichgültig, ob nun Kegelräder als spezielle Art von Hypoidrädern oder umgekehrt angesehen werden, betrifft die vorliegende Erfindung Maschinen und Verfahren zur Bildung in Längsrichtung gekrümmter Zahnoberflächen einer oder beider Arten dieser Zahnräder.
Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen sind im allgemeinen ausgebildet, Schneid- oder Schleifwerkzeuge so zu tragen, daß die Werkzeuge ein dazupassendes Zahnradelement im Eingriff mit einem gerade hergestellten Werkstückzahnrad darstellen können. Ein Prinzip auf dem Gebiet der Erfindung besagt, daß die hergestellten Werkstückzahnräder richtig ineinandergreifen, wenn beide Bestandteile eines zusammenpassenden Paars von Werkstückzahnrädern getrennt mit Werkzeugen hergestellt werden, die komplementäre theoretische Wälzzahnräder im Eingriff mit jedem Werkstückzahnradelement darstellen.
Gemäß der üblichen Praxis werden Zahnoberflächen eines oder beider Bestandteile eines zusammenpassenden Werkstückzahnradpaars durch ein relatives Abwälzverfahren mit einem Werkzeug hergestellt, als ob das Werkstückzahnrad mit einem durch das Werkzeug dargestellten theoretischen Abwälzzahnrad in Eingriff stünde. Solche Wälzverfahren sind jedoch ziemlich zeitaufwendig, und es ist oft vorzuziehen, nur einen Bestandteil eines Zahnradpaars zu erzeugen. Beispielsweise werden viele in Automobilanwendungen verwendete Kegel- und Hypoidzahnradpaare gemäß einem Verfahren hergestellt, worin Zahnoberflächen eines ersten Zahnradbestandteils (üblicherweise eines Rindzahnrads) ohne Abwälzen gebildet werden (d.h. das Werkzeug ist ausgerichtet, um Zahnoberflächen eines stationären theoretischen Zahnrads darzustellen, und Zahnradzahnzwischenräume nehmen die Form des durch das Werkzeug dargestellten Zahns an) und die Zahnoberflächen des anderen Zahnradbestandteils (üblicherweise eines Ritzels) mittels eines Werkzeugs gefertigt werden, das ausgerichtet ist, Zahnoberflächen des als erstes gebildeten Zahnradbestandteils in Eingriff mit dem anderen Zahnradbestandteil darzustellen.
Aus wirtschaftlichen Gründen wurden zwei Arten zahnradherstellender Maschinen zur Erzeugung unterschiedlicher Bestandteile von Werkstückzahnradpaaren entwickelt, wobei nur ein Bestandteil des Paars einen Wälzvorgang erfordert. Diese Maschinen, die angeordnet sind, die Abwälzbewegung eines theoretischen Wälzzahnrads im Eingriff mit einem Werkstückzahnrad darzustellen, werden als "Wälzmaschinen" bezeichnet, während man jene Maschinen, die angeordnet sind, ein stationäres theoretisches Zahnrad darzustellen, "Nichtwälzmaschinen" nennt. Wälzmaschinen müssen zusätzliche Bewegungen verleihen und sind daher viel komplizierter und teurer als Nichtwälzmaschinen. Beträchtliche Kosteneinsparungen sind durch die Verwendung billigerer Nichtwälzmaschinen möglich, die einen Bestandteil jedes Zahnradpaars erzeugen. Wälzmaschinen können zur Herstellung nichtgewälzter Zahnräder herangezoen werden, doch Nichtwälzmaschinen weisen nicht die erforderlichen Einstellungen und Steuereinrichtungen auf, um gewälzte Zahnoberflächen zu erzeugen.
Typische Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen umfassen eine Maschinenbasis und getrennte, auf der Basis ruhende Supports zum Montieren eines Werkstückzahnrads und eines Drehwerkzeugs. Der Werkzeugsupport ist ausgebildet, solcherart ein Drehwerkzeug zu tragen, daß es ein theoretisches Wälzzahnrad darstellt, das positioniert ist, um mit dem Werkstückzahnrad in Eingriff zu stehen. Ein Maschinengestell ist im Werkzeugsupport gelagert, sodaß seine/ihre Rotationsachse die Achse des theoretischen Wälzzahnrads darstellt. Ein Drehwerkzeug mit materialabtragenden Oberflächen, die einen oder mehrere Zähne im theoretischen Wälzzahnrad darstellen, ist auf der Vorderseite des Gestells abgestützt. Insbesondere ist das Drehwerkzeug auf einer Werkzeugspindel montiert, die in einem durch das Gestell getragenen Neigungsmechanismus gelagert ist. Der Neigungsmechanismus dient dazu, die Winkelposition der Achse des Drehwerkzeugs in bezug auf die Gestellachse einzustellen, sodaß die materialabtragenden Oberflächen des Werkzeugs ausgerichtet sind, damit sie etwa die Position der Zahnradzähne auf dem theoretischen Wälzzahnrad darstellen.
Der Werkstückzahnradsupport enthält im allgemeinen Mittel zur Einstellung der Montageposition des Werkstückzahnrads, sodaß dieses mit dem durch den Werkzeugsupport dargestellten theoretischen Wälzzahnrad in Eingriff paßt. Das Werkstückzahnrad ist zur Drehung im Werkstücksupport gelagert, und Mittel zum Rotieren des Werkstückzahnrads sind mit Mitteln zum Drehen des Maschinengestells verbunden, sodaß das Werkstückzahnrad in zeitlich abgestimmter Beziehung zur Rotation des Gestells gedreht werden kann. Die Zahnseiten werden im Werkstückzahnrad durch Verleihung einer relativen Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad erzeugt, als ob das Werkstückzahnrad mit dem anderen Zahnradbestandteil (d.h. mit dem theoretischen Wälzzahnrad) in Eingriff stünde, dessen Rotationsachse mit der Maschinengestellachse zusammenfällt und das zusammenpassende Zahnoberflächen besitzt, die durch die materialabtragenden Oberflächen des Werkzeugs dargestellt werden.
Das Drehwerkzeug kann angeordnet sein, um einen einzelnen Zahn in einem Wälzzahnrad darzustellen, oder kann einige materialabtragende Oberflächen aufweisen, die auf dem Werkzeugkörper speziell zur zeitlich abgestimmten Drehung mit dem Werkstückzahnrad positioniert sind, um ein Wälzzahnrad mit einer Vielzahl an Zähnen darzustellen.
"Diskontinuierliche Versetzungs"verfahren werden mit der Verwendung eines Drehwerkzeugs assoziiert, das konstruiert ist, einen einzelnen Zahn eines Wälzzahnrads darzustellen. Gemäß der bekannten Praxis des diskontinuierlichen Versetzens wird jeder aufeinanderfolgende Zahnzwischenraum einzeln gebildet, bis alle der erwünschten Anzahl an Zahnzwischenräumen im Werkstückzahnrad ausgebildet sind. Wälzbewegungen z.B., bei denen das Werkzeug um die Gestellachse in zeitlich abgestimmter Beziehung zur Werkstückzahnradrotation gedreht wird, erfolgen unabhängig für jeden Zahnzwischenraum.
Ein zweites allgemein bekanntes Zahnradherstellungsverfahren ist als "kontinuierliches Versetzen" bekannt und sieht die Verwendung eines Drehwerkzeugs vor, das mit einer Anzahl materialabtragender Oberflächen angeordnet ist, die auf einem Werkzeugkörper positioniert sind, um eine Vielzahl an Zähnen auf dem Wälzzahnrad darzustellen. Gemäß dieser bekannten Praxis wird das Werkstückzahnrad in zeitlich abgestimmter Beziehung zur Rotation des Werkzeugs gedreht, sodaß alle Zahnzwischenräume im Werkstückzahnrad gemeinsam gebildet werden. Erforderliche Wälzbewegungen werden dieser zeitlich abgestimmten Beziehung überlagert, sodaß eine zusätzliche Werkstückzahnraddrehung in zeitlich abgestimmter Beziehung zur Maschinengestedrehung bewirkt wird. Da alle Werkstückzahnradzahnzwischenräume gemeinsam behandelt werden, ist nur eine einzige Drehung des Werkzeugs um die Gestellachse durch den Raum eines Zahns des theoretischen Wälzzahnrads erforderlich, um alle Werkstückzahnradzahnflächen vollständig auszubilden.
Ein Überblick über die grundlegenden Maschinenerfordernisse zur Kegel- und Hypoidradherstellung findet sich in Kapitel 20 von "Gear Handbook, The Design, Manufacture, and Application of Gears, Darle W. Dudley, Hg., 1962 McGraw Hill, Inc., Library of Congress Katalognr. 61-7304. Seiten 1 bis 11 dieses Kapitels mit dem Titel "Bevel- and Hypoid-Gear Manufacture" sind hierin als Quellenangabe angeführt, um den Hintergrund der Erfindung sowie den Stand der Technik zu beschreiben.
Zusätzlich ist anzumerken, daß die Fortschritte auf dem Gebiet der Computer- und Elektrotechnik natürlich auch den Maschinenwerkzeugen zugute kamen. Die meisten Maschinenwerkzeuge des Stands der Technik weisen heutzutage eine bestimmte Art von Computersteuerung auf. Solche Maschinen werden auf dem Gebiet als numerisch Computer-gesteuerte (CNC) Maschinen bezeichnet. Die Verwendung von Computern z.B. zur Steuerung des Maschinenbetriebs und -einrichtens ist allgemein bekannt. Computer ermöglichen weiters, daß eine Reihe von Maschinen getrennte Funktionen erfüllen, um gemeinsam in einem System unterschiedliche Arbeitsschritte auf Werkstücken durchzuführen und eine Anzahl unterschiedlicher Werkstücke zu erzeugen, ohne daß große manuelle Eingriffe erforderlich wären.
Obwohl herkömmliche Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen kürzlich mit Computersteuerung (hauptsächlich zur Überwachung und Steuerung des Maschinenbetriebs) ausgestattet wurden, erfordert ein Großteil des Einrichtens dieser Maschinen nach wie vor manuelle Eingriffe. US-Patent Nr. 3.984.746 beispielsweise offenbart ein "Master-Slave"-Servosystem zum Ersetzen bestimmter Getriebezüge in einer herkömmlichen Kegel- und Hypoidradwälzmaschine, die während der Verwendung die relativen Maschinenbewegungen steuern. Ein Großteil des Einrichtens dieser modifizierten Maschine erfordert jedoch noch immer beträchtliche manuelle Eingriffe.
Herkömmliche Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen (d.h. jene, die im oben angeführten "Gear Handbook" beschrieben sind), benötigen neun oder mehr Maschineneinstellungen (auch als "Einrichtachsen" bekannt), um das Werkzeug in bezug auf das Werkstückzahnrad richtig zu positionieren. Zu diesen Einstellungen zählen: (a) eine Winkeleinstellung des Gestells, (b) drei Winkeleinstellungen des Neigungsmechanismus, (c) eine geradlinige Zufuhreinstellung zwischen dem Werkzeug und den Werkstücksupports, (d) eine geradlinige Einstellung der Werkstückzahnradhöhe über der Maschinenbasis, (e) eine Winkeleinstellung der Werkstückzahnradachse, (f) eine geradlinige Einstellung des Werkstückzahnrads entlang seiner Achse und (g) für bestimmte Schneidverfahren relative Einstellungen der Drehpositionen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads. Diese Einstellungen sind nur schwer so präzise wie nötig auszuführen und außerdem zeitaufwendig. Die meisten dieser Einstellungen werden manuell durchgeführt, da die große Anzahl an Einstellungen und ihre oft blockierten Standorte die Computersteuerung dieser Einstellungen außerordentlich verkomplizieren und/oder übermäßig verteuern.
Beispielsweise sind bekannte Werkzeugneigungsmechanismen auf Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen mit einigen besonders schwierigen Einstellungen verbunden. Diese Einstellungen sorgen dafür, daß sich die Werkzeugachse in bezug auf die Gestellachse so neigt und ausrichtet, daß die materialabtragenden Oberflächen des Werkzeugs so positioniert werden, damit sie korrekt die Zahnflächen des theoretischen Wälzzahnrads darstellen können. Drei koordinierte Einstellungen, die auf dem Gebiet als "exzentrischer Winkel", "Schwenkwinkel" und "Neigungswinkel" bekannt sind, werden zu diesem Zweck üblicherweise benötigt.
Der Werkzeugantrieb, der durch den Neigungsmechanismus wirkt, ist ebenfalls überaus komplex. Dieser Antrieb ist erforderlich, um das Werkzeug in variablen Winkelausrichtungen und -positionen in bezug auf die Gestellachse in Drehung zu versetzen. Somit finden beide komplexen Einstellungen des Werkzeugneigungsmechanismus und des Werkzeugantriebs bei variablen Ausrichtungen innerhalb des Raums des Maschinengestells statt, das selbst drehbar ist.
Demzufolge sind die Maschinengestelle zumeist eher groß und sperrig. Der Durchmesser des durch den Werkzeugsupport dargestellten theoretischen Wälzzahnrads wird auch im wesentlichen durch den Durchmesser des Maschinengestells bestimmt. Beispielsweise muß möglicherweise ein Gestell mit einem Durchmesser von 60 cm ein Drehwerkzeug in Position halten, um Zahnoberflächen eines theoretischen Wälzzahnrads mit einem Durchmesser von 30 cm darzustellen. Es ist schwierig, Maschinengestelle mit der nötigen Präzision herzustellen und zu montieren, und sie machen einen großen Teil der Größe, des Gewichts und der Kosten herkömmlicher Wälzmaschinen aus.
Es wurde manchmal vorgeschlagen, das herkömmliche Maschinengestell durch ein Paar geradliniger Kufen zu ersetzen. Fig.20-7 auf S.8 im angeführten Kapitel des "Gear Handbook" beschreibt z.B. diese Möglichkeit für Nichtwälzmaschinen. Es wird dort erklärt, daß Nichtwälzmaschinen die Positionierung einer Werkzeugachse in bezug auf die Werkstückzahnradachse in der Art eines Maschinengestells benötigen, doch sie erfordern keine der Gestelldrehung entsprechende Bewegung der Werkzeugachse. Daraus ist zu schließen, daß die oben erwähnten Kufen dazu dienen können, eine Werkzeugachse zur selben Position zu bewegen, ein Arbeitsgang, der in Nichtwälzmaschinen ansonsten durch ein Gestell durchgeführt wird. Dieses allgemeine Prinzip wurde auch für Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen vorgeschlagen, z.B. SU-A- 724287 (V.A. KONDYURIN) und DE-A-36 43 967 (YUTAKA SEIMITSU KOGYO K.K.). In den in diesen Patenten geoffenbarten Maschinen wird das übliche Maschinengestell durch ein Paar geradliniger Kufen ersetzt, die so gesteuert werden können, daß sie die Werkzeugachse entlang eines bogenförmigen Wegs bewegen, der der Drehung des Gestells während des Abwälzens entspricht.
Keine dieser vorgeschlagenen Wälzmschinene besitzt jedoch ein Mittel zum Neigen der Werkzeugachse in bezug auf ihre beabsichtigte Darstellung der herkömmlichen Gestellachse. Selbst wenn ein bekannter Werkzeugachsenneigungsmechanismus in einer der vorgeschlagenen Maschinen vorhanden wäre, würde die bogenförmige Translation einer geneigten Werkzeugachse entlang der geradlinigen Kufen der vorgeschlagenen Maschinen die Rotationsbewegung der geneigten Werkzeugachse um die Gestellachse einer herkömmlichen Maschine nicht reproduzieren können. Anders ausgedrückt ist die Translation einer geneigten Achse um eine andere Achse, zu der sie anfangs geneigt ist, nicht gleich der Rotation der geneigten Achse um eine andere Achse.
Somit eignet sich keine der vorgeschlagenen, in den obigen Patentveröffentlichungen geoffenbarten Maschinen zur Herstellung einer Vielzahl an Zahrädern, die traditionellerweise durch herkömmliche Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen gefertigt werden, die über große Maschinengestelle und komplexe Neigungsmechanismen verfügen, um ein Werkzeug und ein Werkstückzahnrad wirkungsvoll positionieren und operabel in Eingriff nehmen zu können. Selbst beim Wälzen ohne Vorsehen einer Werkzeugachsenneigung scheint keine der vorgeschlagenen Maschinen die Änderung der Winkelposition des Werkzeugs um seine Achse zu berücksichtigen, die mit ihren jeweiligen Translationsdarstellungen der Gestellachsendrehung Hand in Hand gehen sollte; das Fehlen einer solchen Änderung der Winkelposition würde die erforderliche zeitlich abgestimmte Beziehung zwischen Werkzeug und Werkstückdrehungen während kontinuierlicher Versetzungsverahren ungünstig beeinflussen.
Eine weitere bekannte Alternativkonfiguration einer computergesteuerten Kegel- und Hypoidradwälzmaschine wird gemäß einem anderen Verfahren betrieben und ist in US- Patent Nr. 4.565.474 geoffenbart. Diese Maschine besitzt ein CNC-System zur Steuerung der Maschinenachsen beim Einrichten und Betreiben. Doch selbst zum Wälzen nur einer der Flanken in Längsrichtung gekrümmter Zahnzwischenräume benötigt die Maschine eine große Anzahl beweglicher Achsen für das Einrichten und den Betrieb. Von diesen erforderlichen Achsen sind die am schwierigsten und teuersten zu steuernden die Dreh- oder Schwenkachsen zur Bewegung des Werkzeugs sowie der Werkstückzahnradachsen in einem Winkel zueinander. Für das Wälzen einer einzigen Flanke längsseitig gekrümmter Zahnräder enthält die Maschine eine erste Achse zum Schwenken des Werkzeugs in bezug auf das Werkstückzahnrad, eine zweite Achse zum Schwenken des Werkstückzahnrads in bezug auf das Werkzeug und einen Werkzeugneigungsmechanismus (z.B. den Mechanismus aus US-Patent Nr. 4.370.080) zum Neigen des Werkzeugs in bezug auf eine dritte Achse. Diese drei Achsen kommen zu den Achsen zum Drehen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads sowie zu den drei geradlinigen Achsen der relativen Bewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad hinzu. Wenn die andere Flanke der Zahnzwischenräume gleichzeitig gewälzt werden soll, braucht man ein zweites Werkzeug und zusätzliche Achsen zum Drehen und Schwenken des zweiten Werkzeugs, zwei weitere geradlinige Achsen zur Bewegung des zweiten Werkzeugs in bezug auf das Werkstückzahnrad und vermutlich einen zweiten Werkzeugachsenneigungsmechanismus.
Die in US-Patent Nr. 4.565.474 geoffenbarte Maschine wird gemäß einschränkenden Bedingungen betrieben, worin eine einzelne Wälzlinie konstanter Form (z.B. analog zu einem geraden oder gebogenen starren Draht) dazu dient, vorgegebene Zahnoberflächen zu wälzen. Die Wälzlinie ist als Schnitt der materialabtragenden Oberfläche definiert, über die ein Drehwerkzeug mit einer Wirkungsebene streicht, die eine Ortskurve mit Kontaktpunkten zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad umfaßt. Das Werkzeug dringt mit einer fixierten Tiefe in die Wirkungsebene ein, und die Wälzlinie konstanter Form in der Wirkungsebene dreht sich um eine senkrecht zur Wirkungsebene verlaufende Achse in einer vorbestimmten Beziehung zur Drehung des Werkstückzahnrads, sodaß die Wirkungsebene gemeinsam mit einer Basiskegelfläche des Werkstückzahnrads abwälzt. Dadurch wird in der Wirkungsebene eine vorgegebene Zahnoberfläche gewälzt, die durch die relative Bewegung der Wälzlinie mit konstanter Form in bezug auf das Werkstückzahnrad definiert ist.
Diese Beschränkungen, die das Verfahren des US-Patents Nr. 4.565.474 definieren, verhindern, daß die geoffenbarte Maschine Zahnoberflächen dupliziert, die nun durch herkömmliche Maschinenbewegungen gebildet werden, die die Abwälzbewegung eines mit dem Werkstückzahnrad in Eingriff stehenden theoretischen Wälzzahnrads darstellen. Herkömmliche Maschinenbewegungen sorgen für die Drehung des Werkzeugs um die Achse eines theoretischen Wälzzahnrads (d.h. um die Gestellachse), die einen relativen Bewegungsweg zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad definiert, das in einem Winkel in bezug auf die Wirkungsebene zwischen ihnen angeordnet ist. Der Kontakt zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad setzt sich entlang verschiedener Punkte auf der materialabtragenden Oberfläche des Werkzeugs fort, die selbst zu einer Normalen (senkrecht) zur Wirkungsebene in einem Druckwinkel geneigt ist (entspricht der durch das Werkzeug dargestellten Wälzzahnradoberfläche). Somit bewegt sich das Werkzeug gemäß herkömmlichen Verfahren entlang eines Wegs, der zur Wirkungsebene geneigt ist, dringt in veränderlichen Tiefen in die Wirkungsebene entlang einer Werkzeugoberfläche ein, die ebenfalls zu einer Normalen der Wirkungsebene geneigt ist, wodurch die Zahnflächen gewälzt werden - nicht durch eine einzelne Wälzlinie konstanter Form, sondern durch ein umschließendes Verfahren, worin die gewälzten Zahnoberflächen durch die materialabtragende Oberfläche des Werkzeugs und seine relative Bewegung in bezug auf das Werkstückzahnrad definiert werden. Da die materialabtragenden Oberflächen der in herkömmlichen Maschinen verwendeten Werkzeuge zur Normale der Ebene geneigt sind und in bezug auf die Wirkungsebene in einem Winkel bewegt werden, ist es möglich, beide Flanken der Zahnzwischenräume in einem Werkstückzahnrad mit einem einzigen Werkzeug zu wälzen, das angeordnet ist, beide Flanken eines wälzenden Zahnradzahns darzustellen.
Ein weiterer wichtiger Faktor beim Wälzen in Längsrichtung gekrümmter Kegel- und Hypoidzahnräder ist die Bestimmung des geeigneten Einrichtens und der Betriebsparameter für solche Maschinen. Aufgrund der Komplexität von durch herkömmliche Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen gebildeten Zahnoberflächen können solche Zahnflächen nur durch die Maschinenbewegungen, mit denen sie erzeugt werden, exakt geometrisch definiert werden. D.h. daß zwar bestimmte allgemeine Parameter der Zahnradkonstruktion spezifiziert sein können, z.B. die Zahnanzahl, der Teilkegelwinkel usw., die Gleichungen, mithilfe derer Kegel- und Hypoidzahnflächen definiert werden, jedoch die Bewegungsgleichungen von Wälzmaschinen sind. Da Zahnflächen nicht unabhängig von Maschinenbewegungen definiert werden, ist die Konstruktion von Zahnoberflächen oft ein sich wiederholendes Verfahren, das auf dem Gebiet als "Entwicklung" bekannt ist. Besonders in Form von Computersoftware wurde viel Wissen zusammengetragen, um Zahnflächen durch die geeignete Einstellung der Betriebsparameter herkömmlicher Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen zu entwickeln.
Man beachte, daß ein Großteil dieses äußerst wertvollen, in mühevoller Kleinarbeit zusammengetragenen Wissens bei der Steuerung des Betriebs nicht herkömmlich konfigurierter Maschinen, die unterschiedliche Betriebsparameter zur Steuerung ihrer Bewegungen benötigen, von geringem Nutzen wäre. Stattdessen würden solche nicht herkömmlich konfigurierten Maschinen neue Formeln und ein neues Knowhow erfordern, um günstige Maschineneinstellungen und Betriebsparameter für die Erzielung bekannter Zahnradgeometrien und Zusammenpaßeigenschaften zu bestimmen. Eine Maschine, die im Artikel des "American Machinist Magazine" (Juli-Heft 1983) auf S.85- 88 mit dem Titel "Generating Gears Via Software" beschrieben ist, erläutert ein Verfahren zur Bestimmung der Betriebsparameter einer nicht herkömmlich konfigurierten Maschine. (Die in diesem Artikel beschriebene Maschine weist Ähnlichkeiten mit der in US-Patent Nr.4.565.474 geoffenbarten Maschine auf.)
Man beachte, daß die Bestimmung solcher geeigneter Maschineneinstellungen und Betriebsparameter auf der Grundlage allgemeiner Informationen über die erwünschte Zahngeometrie und Zusammenpaßeigenschaften dem obigen Entwicklungsverfahren entspricht, das bei herkömmlichen Maschinen zur Anwendung kommt. Während es relativ praktikabel sein kann, Software in eine CNC-Maschine zu integrieren, um solche erforderlichen Maschinenbewegungen zur Herstellung leicht definierter gerader Zahnräder zu bestimmen, würde die zusätzliche Komplexität in Längsrichtung gekrümmter Kegel- und Hypoidzahnradzähne, besonders jener, die durch herkömmliches Wälzen entstehen, umfangreiche und komplizierte Entwicklungen nach sich ziehen, die die Kosten und die Komplexität jedes CNC-Systems beträchtlich erhöhen, das ansonsten vor allem dafür verantwortlich ist, Maschinenbewegungen entlang vorgeschriebener Wege zu steuern. Außerdem würde man das große Wissenspotential, mithilfe dessen man erwünschte Zahngeometrien und Paßeigenschaften mit herkömmlichen Maschineneinstellungen in Verbindung setzt, nur wenig oder überhaupt nicht ausschöpfen. Dies gilt insbesondere für Modifikationen "höherer Ordnung", die sich direkt in Form bekannter Maschinenbewegungen oder eines theoretischen Wälzzahnrads ausdrücken.
Es ist bereits allgemein aus US-A-3.984.746 bekannt, numerische Computer- Steuerungen in herkömmlichen Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen zum automatischen Einrichten und Betreiben bestimmter beweglicher Maschinenachsen einzubauen. Die große Anzahl und die blockierten Standorte herkömmlicher Maschinenachsen verkomplizieren und verteuern jedoch die Anwendung von Computersteuerungen für alle diese Achsen. Obwohl es aus SU-A-724287 und DE-A-36 43 967 bekannt ist, das große und sperrige Maschinengestell herkömmlicher Maschinen durch ein Paar geradliniger Kufen zu ersetzen, offenbart keine dieser Patentveröffentlichungen irgendwelche Mittel zum Neigen der Werkzeugachse in bezug auf die ursprüngliche Gestellachse oder zum Ersetzen der Drehfunktion des herkömmlichen Maschinengestells, insofern als dieses die geneigte Werkzeugachse um die Gestellachse dreht. Weiters erfordert die computergesteuerte Zahnradwälzmaschine aus US-A-4.565.474, die eine sehr unterschiedliche Konfiguration aus Maschinenachsen aufweist, eine große Anzahl gesteuerter Achsen, um in Längsrichtung gekrümmte Zahnräder zu wälzen. Das geoffenbarte Verfahren zur Steuerung dieser Achsen ist außerdem ungünstigerweise auf das Wälzen vorgegebener Oberflächen beschränkt und kann vom akkumulierten Knowhow im Bereich der Entwicklung von Zahnkonstruktionen auf herkömmlichen Maschinen nicht profitieren.
Segal, "Characteristics of the Components of the Machine Tools with Numerical Program Control for Machining Round Teeth of Conical and Hypoid Transmissions" Saratov, Saratov Polytechnical Institute, 1982, S.19-23 schlug eine Maschine mit geradlinigen Kufen in SU-A-724287 sowie eine Steuerungsstrategie vor, die besagt, daß gemäß uneinheitlicher Gesetze der Werkzeugachse jede Position und Bewegung relativ zum Werkstück verliehen werden kann. Die Art bzw. Beschaffenheit solcher uneinheitlicher Gesetze und insbesondere der erwähnten Bewegungen und Positionen wird jedoch nicht beschrieben.

Zusammenfassung der Erfindung

Die in Ansprüchen 1, 5, 7 bzw. 8 definierte vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Zahnradwälzmaschine und ein Verwendungsverfahren, wobei dabei die herkömmlichen Prinzipien des Zahnradschneidens und -schleifens in völlig neuer Weise zur Anwendung kommen. Die Maschinenkonfiguration ist im Vergleich zu Kegelrad- und Hypoidradwälzmaschinen des Stands der Technik stark vereinfacht und problemlos an Computersteuerungen zum automatischen Einrichten und Betreiben der Maschine anpaßbar.
Die erfindungsgemäße Maschine ist ausgebildet, die relativen Positionen der Werkzeugachse und der Werkstückzahnradachse unter Verwendung einer minimalen Anzahl beweglicher Maschinenachsen zu steuern. Gemäß der üblichen Praxis sind das Werkzeug und das Werkstückzahnrad um ihre jeweiligen Achsen drehbar. Im Gegensatz zu bekannten Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen dient jedoch eine einzelne Schwenkachse dazu, die relativen Winkelpositionen der Werkzeug- und Werkstückzahnradachse zum Einrichten und Betreiben einzustellen. Drei zusätzliche Achsen sind zum Einstellen der geradlinigen Positionen des Werkzeugs und Werkstückzahnrads vorgesehen.
Die Bedeutung dieser wichtigen Verringerung beweglicher Maschinenachsen läßt sich aus einer Bezugnahme auf herkömmliche Nichtwälzmaschinen ersehen. Es ist möglich, die erfindungsgemäße Wälzmaschine ohne zusätzliche bewegliche Achsen gegenüber den herkömmlicherweise auf Nichtwälzmaschinen vorgesehenen Achsen auszubilden. Anders ausgedrückt wurden die zusätzlichen Kosten und die Komplexität solcher beweglicher Strukturen als Maschinengestelle und Neigungsmechanismen vermieden. Weiters ist diese Verringerung solcherart, daß die Verwendung von mehreren Werkzeugen und Schwenkachsen überflüssig und Beschränkungen des Wälzverfahrens nicht erforderlich sind.
Obwohl normalerweise sechs Achsen relativer Bewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad für das Einrichten und den Betrieb benötigt werden, sind nur fünf Bewegungsachsen während des diskontinuierlichen Versetzens zeitlich aufeinander abgestimmt. Es handelt sich dabei um (a) eine Bewegung entlang dreier geradliniger Achsen, (b) eine Winkelbewegung um eine einzelne Schwenkachse und (c) um eine Drehbewegung um die Werkstückzahnradachse. Kontinuierliches Versetzen erfordert jedoch zeitlich abgestimmte Beziehungen zwischen allen sechs beweglichen Achsen. Zusätzlich zu den obigen Achsen, die mit diskontinuierlichen Vorgängen in Zusammenhang stehen, benötigt das kontinuierliche Versetzen auch eine damit in bezug stehende Steuerung der Drehung des Werkzeugs um seine Achse.
Die vorliegende Erfindung sorgt auch dafür, daß die gleichen gesteuerten Achsen der Maschinenbewegung sowohl für das Einrichten als auch für den Betrieb verwendet werden. Gegenüber bekannten Kegel- und Hypoidradschneidmaschinen wird demnach die Gesamtzahl beweglicher Maschinenachsen, die zum Enrichten und für den Betrieb notwendig sind, von neun oder mehr auf sechs verringert. Durch diese Verringerung kann die erfindungsgemäße Maschine problemlos mit numerischen Computer- Steuerungen zum automatischen Maschineneinrichten und -betrieb ausgestattet werden. Trotz einer Verringerung der Gesamtanzahl an Einrichtachsen weist die erfindungsgemäße Maschine überdies eine größere Vielseitigkeit auf. Beispielsweise ist die erfindungsgemäße Maschine ausgebildet, einen weiteren Bereich an Werkstückzahnradgrößen und -konstruktionen herzustellen, wobei auch bessere Möglichkeiten bestehen, die genauen erwünschten Zahnoberflächen zu entwickeln.
Die Beziehung eines theoretischen Wälzzahnrads im Eingriff mit einem Werkstückzahnrad wird in der vorliegenden Erfindung durch eine einzige Winkeleinstellung zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse in Kombination mit relativen geradlinigen Bewegungen zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse entlang dreier geradliniger Achsen und einer Drehbewegung des Werkstückzahnrads um seine Achse aufrechterhalten. Beim kontinuierlichen Versetzen wird auch die Drehbewegung des Werkzeugs um seine Achse gesteuert. Entweder die Werkzeugachse oder die Werkstückzahnradachse kann in fixer Winkelausrichtung in bezug auf die Maschine positioniert sein, und die Achse des theoretischen Wälzzahnrads kann in ihrer Winkelausrichtung in bezug auf die Maschinenbasis variieren, um die erwünschte relative Abwälzbeziehung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad beizubehalten. Beispielsweise kann die Werkzeugachse in einer fixen Winkelausrichtung in bezug auf die Maschine montiert sein, und die Position der theoretischen Wälzzahnradachse kann sofort in praktisch jeder erwünschten Winkeleinstellung in bezug auf die Werkzeugachse definiert und durch relative Bewegungen der Werkzeug- und Werkstückzahnradachsen aufrechterhalten werden.
Ein Bereich relativer Winkelausrichtungen zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse entsteht durch Positionieren der Schwenkachse in jeweiligen Neigungen in bezug auf die Werkzeug- und Werkstückzahnradachse. Zum Einrichten und für den Betrieb werden die Werkzeug- und die Werkstückzahnradachse in fixen Neigungen in bezug auf die Schwenkachse gehalten. Die Neigungen werden als eingeschlossene Winkel zwischen gerichteten Liniensegmenten gemessen, die mit der Schwenkachse und jeder der Werkzeug- und Werkstückachsen in Verbindung stehen. Die maximale Winkeltrennung zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse wird durch die Summe der jeweiligen Neigungswinkel bestimmt, den jede dieser Achsen mit der Schwenkachse bildet. Die minimale Winkeltrennung zwischen den zwei Achsen wird anhand des absoluten Differenzwerts zwischen den gleichen jeweiligen Winkeln bestimmt.
Es ist vorzuziehen, daß die jeweiligen fixen Neigungswinkel, die die Werkzeug- und die Werkstückzahnradachse mit der Schwenkachse bilden, 90º betragen. Durch Positionieren der Schwenkachsen senkrecht zur Werkzeug- und zur Werkstückzahnradachse ist ein im wesentlichen unbegrenzter Bereich der Winkelvariation zwischen der Werkzeug- und der Werkstückachse möglich. Außerdem wird das Ausmaß der Winkelbewegung beider Achsen um die Schwenkachse zur Erzielung einer bestimmten Winkeltrennung minimiert.
Es ist weiters vorzuziehen, die Schwenkachse solcherart zu positionieren, daß sie sowohl die Werkzeug- als auch die Werkstückzahnradachse in einer Position entlang der Werkstückzahnradachse schneidet, die ausgewählt werden kann, um die Bewegungserfordernisse der verbleibenden geradlinigen Achsen zu minimieren. Beispielsweise kann die Schwenkachse in der Nähe eines bestimmten Werkstückzahnrads gewählt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die neuartige Maschine die traditionellen Merkmale einer Maschinenbasis und von auf der Basis montierten Werkzeug- und Werkstücksupports. Der Werkzeugsupport enthält ein Gestell, das auf in der Basis ausgebildeten Kufen montiert ist, um die Bewegung des Gestells entlang der Breite der Basis zu ermöglichen. Ein Werkzeugkopf wird auf im Gestell ausgebildeten Kufen getragen, um die Bewegung des Werkzeugkopfs vertikal in bezug auf die Basis zu ermöglichen, und eine Werkzeugspindel ist im Werkzeugsupport gelagert, um ein Werkzeug zu montieren und es um seine Achse zu drehen.
Der Werkstücksupport enthält einen Tisch, der auf in der Basis ausgebildeten Führungsbahnen montiert ist, um die Bewegung des Tisches entlang der Basislänge zu ermöglichen. Ein Werkstückkopf ist auf im Tisch ausgebildeten bogenförmigen Führungsbahnen montiert, um eine Winkelbewegung des Werkstückkopfs um einen im Tisch montierten Achszapfen zu ermöglichen, und eine Werkstückspindel ist im Werkstückkopf gelagert, um ein Werkstückzahnrad zu montieren und zu rotieren.
Relative Bewegungen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads entlang bestimmter Achsen werden durch getrennte, mit jeder der Achsen verbundene Antriebsmotoren gesteuert. Eine Gruppe von Antriebsmotoren ist vorgesehen, um relative geradlinige Bewegungen zwischen dem Werkzeugkopf und dem Werkstückkopf entlang dreier zueinander orthogonaler Achsen zu bewirken. Zu diesen Bewegungen zählen die Bewegung des Gestells über die Breite der Basis, die Bewegung des Werkzeugkopfs vertikal zur Basis und die Bewegung des Werkstücktisches entlang der Basislänge. Eine zweite Gruppe von Antriebsmotoren dient dazu, die Drehung der Werkzeugspindel und und der Werkstückspindel zu bewirken. Ein getrennter Motor sorgt für die Steuerung der Winkelposition des Werkstückkopfs auf dem Werkstücktisch in bezug auf den Werkzeugsupport. Jeder der Antriebsmotoren kann durch einen Computer gesteuert werden, sodaß eine relative Abwälzbewegung zwischen dem Drehwerkzeug und dem Werkstückzahnrad die kinematischen Erfordernisse eines mit dem Werkstückzahnrad in Eingriff stehenden theoretischen Wälzzahnrads erfüllt.
Man beachte, daß die bekannten Funktionen des Maschinengestells und des Neigungsmechanismus nicht einfach durch alternative Strukturen ersetzt wurden, die unabhängig voneinander die gleichen früheren Funktionen erfüllen, sondern daß gänzlich neue koordinierte Bewegungen entlang und um die geometrisch definierten Maschinenachsen vorgesehen sind, um das Werkzeug günstigerweise so dem Werkstückzahnrad zuzuwenden, daß es nach wie vor ein theoretisches Wälzzahnrad in Eingriff mit dem Werkstückzahnrad darstellt. Obwohl beispielsweise die geradlinigen Bewegungen des Werkzeuggestells über die Breite der Basis und des Werkzeugkopfs senkrecht zur oberen Basisfläche dazu dienen können, die früheren bogenförmigen Bewegungen des Werkzeugs um eine Gestellachse darzustellen, würde eine solche einfache bogenförmige Bewegung die Werkzeugspindel für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht in geeigneter Weise positionieren. In jenen Fällen, wo das theoretische Wälzzahnrad früher durch ein bestimmtes Maß der Werkzeugachsenneigung definiert war, würde die einfache bogenförmige Bewegung, die durch die kombinierten geradlinigen Bewegungen des Werkzeuggestells über die Breite der Basis und des Werkzeugkopfs senkrecht zur oberen Basisfläche reproduziert werden, zu Ungenauigkeiten im Werkstückzahnrad führen (d.h. sie würde die kinematischen Bedingungen zwischen dem theoretischen Wälzzahnrad und dem Werkstückzahnrad nicht erfüllen). Gemäß der vorliegenden Erfindung können jedoch die kombinierten geradlinigen Bewegungen des Werkzeuggestells und des Werkzeugkopfs dazu dienen, das Drehwerkzeug entlang praktisch jeder erforderlichen krummlinigen Führungsbahn zu tragen.
Anstatt die Werkzeugachse in bezug auf eine fixe Gestellachse zu neigen, um eine erwünschte Ausrichtung von Zahnoberflächen auf einem theoretischen Wälzzahnrad gemäß der herkömmlichen Lehre zu erzielen, sorgt die vorliegende Erfindung für zeitlich abgestimmte spezielle Bewegungen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad, um eine erwünschte Ausrichtung der Wälzzahnradachse in bezug auf eine fixe Winkelausreichtung der Werkzeugachse oder der Werkstückzahnradachse zu definieren. Obwohl die Zahnoberflächen des theoretischen Wälzzahnrads (dargestellt in der Ebene der Werkzeugdrehung) eine fixe Winkelausrichtung in bezug auf die Maschinenbasis im Falle einer fixen Werkzeugachsenausrichtung aufweisen, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine im wesentlichen unbeschränkte Variation der relativen Ausrichtung der Zahnoberflächen auf dem theoretischen Wälzzahnrad, indem die Winkelposition der Wälzzahnradachse modifiziert wird. Im Falle einer fixen Werkstückzahnradachse kann in ähnlicher Weise die Winkelbewegung der Werkzeugachse um eine einzige Schwenkachse in Kombination mit den relativen geradlinigen Bewegungen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück und den Drehbewegungen des Werkstückzahnrads um seine Achse ebenfalls dazu dienen, eine im wesentlichen unbeschränkte Variation der relativen Ausrichtung von Zahnflächen auf dem theoretischen Wälzzahnrad zu definieren, das eine Drehachse besitzt, die hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung in bezug auf die Maschinenbasis variiert.
Somit ist der Anfangspunkt der Definition des theoretischen Wälzzahnrads gemäß der Erfindung die fixe Winkelausrichtung der Werkzeug- oder der Werkstückzahnradachse. Die ausgewählten Achsen zur Steuerung der relativen Positionen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads bieten die minimalen geometrischen Freiheiten, die zur Erreichung beliebiger erwünschter relativer Positionen innerhalb der physikalischen Beschränkungen der Maschine erforderlich sind. Die exakt gleichen relativen Bewegungen einer herkömmlichen Zahnradwälzmaschine können dargestellt werden, indem das Werkzeug und das Werkstückzahnrad in der gleichen kinematischen Beziehung bewegt werden, während entweder die Werkzeug- oder die Werkstückzahnradachse der vorliegenden Erfindung in bezug auf die Maschinenbasis hinsichtlich der Winkelausrichtung fixiert ist.
Folgendes ist zu beachten: wenn die Werkzeugachse der vorliegenden Erfindung in einer fixen Ausrichtung positioniert ist (wohingegen die herkömmliche Werkzeugausrichtung der früheren Maschine dazu geneigt ist und die gleichen relativen Positionen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad in der neuen fixen Ausrichtung erwünscht sind), muß das Werkstückzahnrad gemäß der vorliegenden Erfindung auch zu einer neuen Ausrichtung bewegt werden. Dies kann durch eine relativ einfache geometrische Konstruktion aufgezeigt werden. In jedem aufeinanderfolgenden Augenblick des Maschinenbetriebs können die relativen Ausrichtungen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads herkömmlicher Zahnradwälzmaschinen durch neue Ausrichtungen des Werkzeugs und Werkstückzahnrads in bezug auf die Basis der neuen Maschine dargestellt werden.
Unterschiede zwischen dem Betrieb bekannter Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen und der vorliegenden Erfindung gehen weit über die Eliminierung bestimmter Maschinensteuerungsachsen und die Hinzufügung anderer Achsen hinaus. Selbst jene Achsen, die in Einklang mit herkömmlichen Maschinen gesteuert werden, erfüllen unterschiedliche Funktionen. Es ist z.B. bei kontinuierlichen Versetzungsvorgängen bekannt, das Werkstückzahnrad in fixem Verhältnis zur Rotation des Werkzeugs zu drehen, doch die vorliegende Erfindung sorgt auch für eine Drehung des Werkstückzahnrads um eine zusätzliche inkrementale Menge, um die Bewegung eines theoretischen Wälzzahnrads aus einer einzigen Rotationsebene heraus zu berücksichtigen. Obwohl es bekannt ist, den Werkstückkopf in verschiedenen Winkelausrichtungen zum Zweck des Einrichtens zu positionieren, ist es ein wichtiges Merkmal einer Ausführungsform der Erfindung, daß die Winkelausrichtung des Werkstückkopfs whrend des Betriebs variiert wird, um die kinematischen Positionierungserfordernisse des Drehwerkzeugs und des Werkstückzahnrads zu erfüllen.
Ein weiteres wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eingegebene Parameter in Zusammenhang mit dem Einrichten und dem Betrieb herkömmlicher Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen dazu verwendet werden können, das Einrichten und den Betrieb einer Maschine mit anderer Konfiguration zu steuern. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung die Eingabe einer Reihe herkömmlicher Betriebsparameter und die Umwandlung dieser Information durch Umrechnen in eine Form, die zur Spezifizierung der erforderlichen Positionen unterschiedlich konfigurierter Maschinenachsen geeignet ist. Auf diese Weise läßt sich das gesammelte Wissen über die Entwicklung von Zahnoberflächen auf herkömmlichen Maschinen problemlos auf die erfindungsgemäße Maschine übertragen. Andere Vorteile sind eine große Verringerung der Anzahl an Maschinenberechnungen, die zur Bestimmung vorgeschriebener Bewegungsbahnen für bewegliche Maschinenachsen erforderlich sind, und die Tatsache, daß die Benutzer nach wie vor mit den Parametern des Maschineneinrichtens und -betriebs vertraut sind.
Ein Computer mit einem Mikroprozessor ist ausgebildet, herkömmlich eingegebene Anweisungen interaktiv mit einem Bediener über eine Tastatur und einen Bildschirm (CRT, cathode ray tube) bzw. indirekt aus einem Speichermedium zu empfangen. Der Betrieb des Mikroprozessors und zugehöriger Geräte wird durch ein Computerprogramm gesteuert. Das Programm enthält eine Reihe an Anweisungen zur Umwandlung eingegebener Informationen über die Betriebspositionen einer herkömmlichen Wälzmaschine in eine Form, die die erforderlichen Positionen jeder Achse der neuen Maschine spezifiziert.
Die Umwandlung erfordert (a) die Definition eines Koordinatensystems für die neue Maschine relativ zum Koordinatensystem der herkömmlichen Maschine und (b) die Anwendung allgemein bekannter mathematischer Verfahren (z.B. Matrixrechengänge, Vektortransformationen und trigonometrische Funktionen), um die gleichen relativen Positionen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads im Koordinatensystem der neuen Maschine zu spezifizieren.
Das Koordinatensystem der neuen Maschine kann z.B. durch Auswahl einer der Koordinatenachsen des Systems in vorbestimmten Winkelneigungen sowohl zur Werkzeug- als auch zur Werkstückzahnradachse (fallen mit einer Schwenkachse der neuen Maschine zusammen) und durch Definition der verbleibenden orthogonalen Koordinatenachsen in bezug auf horizontale oder vertikale Ausrichtungen der neuen Maschine definiert werden. Vorzugsweise ist die Schwenkachse sowohl zur Werkzeug- als auch zur Werkstückzahnradachse senkrecht positioniert, doch andere Positionen sind ebenfalls möglich, solange die maximale und minimale Winkeltrennung der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse, die für die herkmmliche Maschine definiert sind, innerhalb eines Bereichs liegen, der durch die Summe und die Differenz der Neigungswinkel definiert ist, die zwischen der Schwenkachse und jeder der ausgerichteten Werkzeug- und Werkstückachsen ausgebildet sind. Aus praktischen Gründen ist es weiters wünschenswert, die geradlinigen Achsen der neuen Maschine so auszurichten, daß sie mit den für diese Maschine definierten orthogonalen Koordinatenachsen zusammenfallen.
Insbesondere können die Werkzeug- und die Werkstückzahnradachse einer herkömmlich angeordneten Maschine gemeinsam gedreht werden, sodaß die eine der zwei Achsen, die in fixer Winkelausrichtung auf der neuen Maschine positioniert werden soll, auch eine vorbestimmte Winkelneigung mit einer Schwenkachse der neuen Maschine definiert und daß die andere der zwei Achsen, die um die Schwenkachse drehbar ist, in Rotationspositionen um die Schwenkachse einen erwünschten Bereich an Winkeltrennung zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse definiert. Vorzugsweise sind natürlich sowohl die Werkzeug- als auch die Werkstückzahnradachse senkrecht zur Schwenkachse positioniert. In diesem Fall kann ein orthogonales Koordinatensystem günstigerweise so definiert werden, daß die Schwenkachse mit einer der neuen Koordinatenachsen zusammenfällt und die verbleibenden zwei orthogonalen Achsen in der Ebene der Winkelbewegung um die Schwenkachse definiert sind, sodaß sich die fixe Achse der Werkzeug- bzw. der Werkstückzahnradachse in einer der verbleibenden Koordinatenrichtungen erstreckt. Die geradlinigen Maschinenachsen können in jeder der Koordinatenrichtungen angeordnet sein, um weitere Berechnungen zu minimieren. Auf diese Weise können die gleichen relativen Positionen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads auf einer herkömmlichen Maschine (d.h. einer mit einer im Winkel einstellbaren Gestellachse, Werkstückachse und Werkzeugachse) durch eine davon unterschiedliche Maschine dargestellt werden, bei der nur die Werkzeug- oder Werkstückachse im Winkel einstellbar ist.
Eine getrennte Transformation ist für jedes Inkrement der Wälzbewegung einer herkömmlichen Maschine nötig. Diese Transformationen können während des Betriebs oder vor den beabsichtigten Vorgängen berechnet und zur späteren Verwendung gespeichert werden (z.B. in sogenannten "Nachschlagetabellen"). Sobald die erwünschten Positionen der Achsen berechnet sind, können Steuersignale, die diese berechneten Positionen darstellen, vom Mikroprozessor ausgesendet werden, um die zu jeder beweglichen Maschinenachse gehörigen Antriebsmotoren zu steuern. Gemäß der herkömmlichen Praxis von CNC-Systemen können die tatsächlichen Positionen von Maschinenachsen durch Codiereinrichtungen gemessen werden, wobei die Antriebsmotoren durch den Mikroprozessor gesteuert werden, um allfällige Differenzen zwischen den tatsächlichen und erwünschten Positionen zugehöriger Maschinenachsen zu korrigieren.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Maschinen, bei denen die Rotation eines theoretischen Wälzzahnrads um eine fixe Gestellachse leicht vorstellbar ist, ermöglicht die vorliegende Erfindung die kinematische Definition eines theoretischen Wälzzahnrads, dessen Achse in beliebig vielen unterschiedlichen Positionen ausgerichtet sein kann, die während des Maschinenbetriebs variieren können. Durch Verwendung der gleichen Eingabeparameter wie bei der herkömmlichen Maschine kann jedoch das angehäufte Wissen über geringfügige Änderungen der Position und Ausrichtung von Zahnflächen auf einem theoretischen Wälzzahnrad zur Entwicklung einer exakten Werkstückzahnradgeometrie auch auf die erfindungsgemäße Maschine übertragen werden.
Da weiters kein Maschinengestell und kein komplexer Neigungsmechanismus notwendig sind, um die Winkelausrichtung der Werkzeugachse zu steuern, bietet die vorliegende Erfindung eine viel kleinere und weniger komplexe Zahnradwälzmaschine. Man beachte außerdem, daß bei bekannten Zahnradwälzmaschinen nur ein eingeschränkter Bereich an Werkzeugneigung durch bekannte Neigungsmechanismen aufgenommen werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht jedoch die Erzielung ähnlicher Wirkungen auf der Geometrie hergestellter Zahnflächen, wie sie normalerweise in einem praktisch unbeschränkten Bereich mit solchen Werkzeugneigungen in Verbindung gebracht werden. Außerdem können nahezu alle Bewegungen, Einstellungen und Merkmale von Zahnradschneidmaschinen des Stands der Technik, von denen viele speziell dazu ausgebildet sind, solche Merkmale aufzuweisen, auf einer einzigen Maschine untergebracht werden, die eine stark vereinfachte Anordnung von Werkstück- und Werkzeugstützstrukturen besitzt.
Die neue Maschinenkonfiguration mit einer minimalen Anzahl an CNC-Achsen eignet sich auch zur Positionierung eines Werkzeugs in bezug auf ein Werkstückzahnrad in einer Ausrichtung, die das erste gebildete Werkstückzahnrad eines Paars darstellt. Außerdem ist es wichtig, daß ein einzelnes Werkzeug dazu dienen kann, beide Flanken theoretischer Wälzzahnradzahnflächen darzustellen und gleichzeitig beide Flanken in Längsrichtung gekrümmter Zahnzwischenräume in Kegel- und Hypoidrädern zu bilden. Das Werkzeug kann schalenförmig oder ausgebaucht sein und kann gemäß der bekannten Praxis entweder kreisend oder pendelnd bewegt werden, um die Kontaktbedingungen während der Verwendung zu verbessern, ohne zusätzliche Bewegungsachsen zu erfordern.
Obwohl die erfindungsgemäße Maschine vor allem zum Wälzen in Längsrichtung gekrümmter Kegel- und Hypoidzahnräder herangezogen wird, kann sie auch andere Zahnradarten erzeugen, z.B. nichtgewälzte Kegel- und Hypoidräder und in Längsrichtung gekrümmte Parallelachsenzahnräder. Obwohl die vorliegende Erfindung bei bekannten Kegel- und Hypoidradwälzmaschinen, die die kompliziertesten Anordnungen beweglicher Achsen zur Zahnradherstellung aufweisen, am besten zur Geltung kommt, ist die stark vereinfachte Maschinenanordnung der vorliegenden Erfindung problemlos auf die Herstellung anderer Zahnradformen und andere weniger anspruchsvolle Verfahren anwendbar.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der weiter unten folgenden ausführlichen Beschreibung. Dort wird auf begleitende Abbildungen Bezug genommen, die nachstehend kurz erläutert werden.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Fig.1 ist eine perspektivische Ansicht der neuen Maschinenkonfiguration der vorliegenden Erfindung;
Fig.2 ist eine Draufsicht der gleichen Maschine aus Fig.1;
Fig.3 ist eine schematische Darstellung der gleichen Maschine, deren bewegliche Strukturen stark vereinfacht sind, um die Achsen der Maschinenbewegung besser darzustellen;
Fig.4 ist eine geometrische Konstruktion, die die Beziehung zwischen Neigungswinkeln der Werkzeug- und Werkstückzahnradachsen in bezug auf eine Schwenkachse und einen Bereich von Winkeltrennungen zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse aufzeigt;
Fig.5 ist eine schematische Darstellung des numerischen Computer-Steuerungssystems, das programmierbar ist, die Bewegungen der neuen Maschinenachsen zu koordinieren;
Figuren 6a und 6b sind schematische Flußdiagramme eines Computerprogramms zur Bestimmung erwünschter Positionen der Maschinenachsen;
Fig.7 ist eine schematische Vorderansicht einer herkömmlichen Zahnradwälzmaschine, wobei wichtige Einrichtbeziehungen der bekannten Maschine auf der Maschinenkontur dargestellt sind;
Fig.8 ist eine Draufsicht der gleichen bekannten Maschine mit zusätzlichen Einrichtbeziehungen, die die relativen Positionen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads festlegen müssen;
Fig.9 ist eine Teilansicht von Fig.7 einer geneigten Achse des Zahns in echter Länge;
Fig.10 ist die gleiche Ansicht wie Fig.7, wobei die Kontur der bekannten Maschine entfernt ist, um die Hinzufügung neuer geometrischer Konstruktionen zum Drehen der Werkzeug- und der Werkstückachse der bekannten Maschine in eine neue Ausrichtung zu erleichtern;
Fig.11 ist die gleiche Draufsicht wie Fig.8, wobei die bekannte Maschinenkontur entfernt ist, jedoch die neuen geometrischen Konstruktionen ersichtlich sind (insbesondere in bezug auf die Werkstückzahnradposition);
Fig.12 entspricht der Teilansicht von Fig.9 ohne Werkzeugdarstellung, aber mit den gleichen neuen geometrischen Konstruktionen (insbesondere in bezug auf die Werkzeugposition);
Fig.13 ist die gleiche Ansicht wie Figuren 7 und 10 und zeigt gedrehte Positionen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse in einem neuen Koordinatensystem;
Fig.14 ist die gleiche Teilansicht wie Figuren 9 und 11 und zeigt die neuen Positionen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig.15 ist die Ansicht von Fig.13 entlang einer neuen Koordinatenachse und definiert die neuen Positionen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse in einer Draufsicht der neuen Maschine;
Fig.16 ist eine Teilansicht von Fig.15 entlang der Werkstückzahnradachse und definiert eine inkrementale Rotation des Werkstückzahnrads, die die Umwandlung zu den neuen Positionen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse in der vorliegenden Erfindung begleitet;
Fig.17 ist eine vergrößerte Ansicht von Fig.14;
Fig.18 ist eine perspektivische Ansicht der neuen Maschine, die mit einer mit einem Werkstückzahnrad im Eingriff stehenden Scheibe in Form einer ausgebauchten Schale versehen ist.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Eine beispielhafte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Kegel- und Hypoidradwälzmaschine ist in Figuren 1 und 2 dargestellt. Die Maschine enthält die allgemeinen Merkmale einer Maschinenbasis 10 mit auf der Basis montiertem Werkzeugsupport 12 und Werkstücksupport 14. Der Werkzeugsupport 12 enthält ein Gestell 18, das auf in der Basis 10 montierten Kufen 16 angebracht ist, um eine geradlinige Bewegung des Gestells 18 über die Breite der Basis 10 zu ermöglichen. Der Werkzeugkopf 22 wird auf Kufen 20 im Gestell 18 getragen, um eine Bewegung des Werkzeugkopfs 22 vertikal in bezug auf die Basis zu ermöglichen. Die Werkzeugspindel 24 ist im Werkzeugkopf 22 gelagert, um das Drehwerkzeug 26 mit materialabtragenden Oberflächen 28, die aus einer Vorderfläche des Werkzeugs ragen, drehbar zu montieren. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung kann das Drehwerkzeug 26 als Schneid- oder Schleifscheibe in Schalenform oder ausgebauchter Schalenform konfiguriert sein. Das in dieser Ausführungsform dargestellte Werkzeug ist jedoch schalenförmig.
Der Werksupport 14 enthält einen Tisch 32, der auf in der Basis 10 montierten Kufen 30 montiert ist, um eine Bewegung des Tisches 32 entlang der Basislänge zu ermöglichen. Der Werkstückkopf 38 ist auf der bogenförmigen Kufe 34 und dem Achszapfen 36 auf dem Tisch 32 montiert, um eine bogenförmige Bewegung des Werkstückkopfs 38 um den Achszapfen 36 zu ermöglichen. Die Werkstückspindel 40 ist im Werkstückkopf 38 gelagert, um das Werkstückzahnrad 42 drehbar zu montieren. Das dargestellte Werkstückzahnrad ist ein Zahnrad des Kegelritzeltyps.
In Fig.3 ist die Maschine aus Figuren 1 und 2 schematisch dargestellt, um die Bewegungsrichtungen aller beweglichen Achsen besser zu veranschaulichen. Zu diesem Zweck ist das Werkstückzahnrad 43 stark vergrößert und aus dem Eingriff mit Werkzeug 27 dargestellt.
Man erkennt aus Fig.3, daß die Werkzeugachse "T" und die Werkstückachse "W" entlang dreier geradliniger Achsen "X", "Y" und "Z" und um eine Schwenkachse "P" relativ beweglich sind. In der dargestellten Ausführungsform sind die Achsen X, Y und Z orthogonal zueinander. Werkstückachse W ist um Schwenkachse P schwenkbar, die sich in Richtung Y senkrecht zur Werkstückachse W und Werkzeugachse T erstreckt. Schwenkachse P schneidet Werkstückzahnradachse W in einer Position entlang Werkstückachse W in der Nähe des Werkstückzahnrads 43. Das Drehwerkzeug 27 und Werkstückzahnrad 43 sind jeweils um ihre zugehörigen Achsen T und W drehbar, die durch die jeweiligen Mittelpunkte des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads verlaufen.
Ein Vergleich dieser beweglichen Achsen kann nun anhand der ausführlichen Beschreibung der Ausführungsform gemäß Figuren 1 und 2 erfolgen. Es ist beispielsweise zu beachten, daß Achsen T und W den Rotationsachsen des Drehwerkzeugs 26 und des Werkstückzahnrads 42 auf der Werkzeugspindel 24 bzw. der Werkstückspindel 40 entsprechen. Die Bewegung des Gestells 18 über die Breite der Basis 10 entspricht der Bewegung der Werkzeugachse T in Richtung X. Ebenso entsprechen die Bewegung des Werkzeugkopfs 22 vertikal zur Basis und die Bewegung des Werkstückkopfs 38 entlang der Basislänge den jeweiligen Bewegungen der Werkzeugachse T in Richtung Y und der Werkstückachse W in Richtung Z. Die Schwenkachse P erstreckt sich durch den Achszapfen 36 auf dem Tisch 32 in einer Richtung, die parallel zur Bewegung des Werkzeugkopfs 22 in Richtung Y verläuft.
Die Bewegung entlang jeder der geradlinigen Kufen wird durch jeweilige Antriebsmotoren bewirkt, die durch ein Geschwindigkeitreduktionsgetriebe und Kegelumlaufschneckenantriebe funktionieren. Beispielsweise wird die Bewegung des Tisches 32 in Richtung Z entlang der Basislänge durch den Antriebsmotor 60 bewirkt, der durch Untersetzungsgetriebe 54 mit der Gewindekugelschnecke 66 verbunden ist. Gemäß herkömmlicher Praxis steht die Kugelschnecke 66 mit einer nicht dargestellten Kugelmutter in Gewindeeingriff, die in Tisch 32 eingeschlossen ist. Die Gewindekugelschnecke 66 ist axial an der Basis 10 befestigt, und ihre Drehung wird durch die Kugelmutter in eine geradlinige Bewegung des Tisches 32 umgewandelt.
Die geradlinige Bewegung des Gestells 18 in Richtung X wird durch den Antriebsmotor 44 bewirkt, der durch das Untersetzungsgetriebe 48 und die Kugelschnecke 50 funktioniert. Der Werkzeugkopf 22 wird durch den Antriebsmotor 52, das nicht dargestellte Untersetzungsgetriebe und die Kugelschnecke 58 in Richtung Y bewegt. Die bogenförmige Bewegung des Werkstückkopfs 38 wird durch den Antriebsmotor 68 bewirkt, der durch die Reibungsscheibe 72 funktioniert, die die Außenfläche 74 der Kufe 34 berührt, die den Achszapfen 36 in einem fixen radialen Abstand teilweise umschließt. Die Achse der Reibungsscheibe 72 ist am Werkstückkopf 38 befestigt, und die Drehung der Reibungsscheibe im Kontakt mit der Außenfläche 74 der Kufe 34 sorgt für eine Vorwärtsbewegung eines Endes des Werkstückkopfs um den Achszapfen 36. Antriebsmotoren 76 und 80 sind zum Drehen des Werkzeugs bzw. Werkstückzahnrads vorgesehen.
Jeder der Antriebsmotoren ist mit einer linearen oder rotierenden Codiereinrichtung als Teil eines CNC-Systems verbunden, das den Betrieb der Antriebsmotoren gemäß der einem Computer eingegebenen Anweisungen steuert. Die Codiereinrichtungen liefern an den Computer Rückkopplungsinformationen über die tatsächlichen Positionen jeder der beweglichen Maschinenachsen.
In der dargestellten Ausführungsform wird z.B. die Messung des Gestells 18 auf den Kufen 16 durch die lineare Codierungseinrichtung 46 gemessen, die Bewegung des Werkzeugkopfs 22 in den Kufen 20 wird durch die lineare Codierungseinrichtung 54 gemessen, und die Bewegung des Tisches 32 auf den Kufen 30 wird durch die lineare Codierungseinrichtung 62 gemessen. Die bogenförmige Bewegung des Werkstückkopfs 38 um den Achszapfen 36 wird durch die rotierende Codierungseinrichtung 70 gemessen. Die rotierenden Codierungseinrichtungen 78 und 82 sind zum Messen der Drehpositionen der Werkstückspindel 40 bzw. der Werkzeugspindel 24 vorgesehen. Gemäß der herkömmlichen Praxis wäre es auch möglich, rotierende Codierungseinrichtungen zur indirekten Messung der geradlinigen Bewegungen durch Messung der Drehpositionen der zugehörigen Antriebsmotoren oder Kugelschnecken zu ersetzen oder jedes andere geeignete Mittel zur Messung der jeweiligen Positionen der beweglichen Achsen zu ersetzen.
Obwohl die dargestellte Ausführungsform eine bestimmte Anordnung beweglicher Strukturen zur relativen Positionierung des Drehwerkzeugs und Werkstückzahnrads umfaßt, kommen im Prinzip viele andere Anordnungen in Frage, um die gleiche Einstellungsfreiheit zu bieten. Demzufolge wäre es möglich, für die Bewegung entweder des Werkstücksupports oder des Werkzeugsupports relativ zueinander entlang beliebiger vorgeschriebener Achsen zu sorgen. Beispielsweise kann jede geradlinige Achse mit Bewegungen des Werkzeugsupports oder des Werkstücksupports verbunden sein, und entweder der Werkzeugsupport oder der Werkstücksupport kann relativ zum anderen geschwenkt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung müssen jedoch mehrere wichtige Beziehungen zwischen Werkzeugachse T und Werkstückachse W eingehalten werden, um die Achsen zueinander korrekt auszurichten. Es ist z.B. wichtig, daß die Werkstückachse W und die Werkzeugachse T relativ zu den drei geradlinigen Achsen und einer Dreh-, d.h. Schwenkachse beweglich sind und daß das Drehwerkzeug und das Werkstückzahnrad jeweils um ihre Achsen drehbar sind. Weiters ist es wichtig, daß entweder die Werkzeugachse T oder die Werkstückachse W in einer fixen Winkelausrichtung in bezug auf die Maschinenbasis 10 positioniert ist und daß die Schwenkachse P mit der bogenförmigen Bewegung einer oder der anderen aus Werkzeugachse T und Werkstückachse W verbunden ist. Außerdem ist es wichtig, daß sowohl die Werkstückachse W als auch die Werkzeugachse T in bezug auf die Schwenkachse P in fixen Winkeln geneigt ist. Die jeweiligen Neigungswinkel sind solcherart ausgewählt, daß die Summe und die Differenz dieser Winkel einen vorbestimmten Bereich an Winkelausrichtungen zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse um die Schwenkachse definieren, um Wälzbewegungen eines theoretischen Wälzzahnrads in Eingriff mit einem Werkstückzahnrad aufzunehmen.
Ein Bereich möglicher Winkelausrichtungen zwischen Werkzeugachse T und Werkstückachse W (verbunden mit der relativen Position der Schwenkachse P) ist beispielsweise in Fig.4 dargestellt. Alle drei Achsen sind als gerichtete Liniensegmente in der Zeichnungsebene von Fig.4 dargestellt. Die Schwenkachse P schneidet die Werkzeugachse T und die Werkstückachse W und bildet eingeschlossene Winkel "pt" und "pw". Diese Winkel messen die jeweiligen Neigungen der Werkzeugachse T und Werkstückachse W in bezug auf die Schwenkachse P. Die Neigungswinkel sind als eingeschlossene Winkel an den Schnittpunkten der Schwenkachse mit der Werkzeug- und der Werkstückachse in einer gemeinsamen Ebene definiert, in der alle drei Achsen in echter Länge auftreten. Die Richtung der Schwenkachse P als gerichtetes Liniensegment wird ausgewählt, die Summe der eingeschlossenen Winkel pt und pw zu minimieren. Im in Fig.4 dargestellten Beispiel beträgt Winkel pw etwa 45º, und Winkel pt ist ein rechter Winkel, d.h. 90º.
Sowohl die maximale als auch die minimale Trennung zwischen zwei gerichteten Liniensegmenten wird an Positionen gemessen, an denen die gerichteten Liniensegmente in der gleichen Ebene auftreten. Demzufolge ist sowohl die anfängliche als auch die gedrehte Position der Werkzeugachse W um die Schwenkachse P um 180º in der Zeichnungsebene dargestellt. Die gedrehte Position der Achse W ist jedoch in einer Phantomlinie dargestellt und wird als "Wr" bezeichnet. Die minimale Winkeltrennung zwischen Werkzeugachse T und Werkstückachse W wird durch den Winkel "pmin" gemessen, die maximale Winkeltrennung der gedrehten Werkstückachse Wr wird durch den Winkel "pmax" gemessen. Man beachte, daß die minimale Winkeltrennung pmin der Differenz zwischen den Winkeln pt und pw entspricht und daß die maximale Winkeltrennung pmax der Summe der Winkel pt und pw entspricht.
Im dargestellten Beispiel beträgt der Winkel pmin 45º und der Winkel pmax 135º. Somit liegt der Bereich an Winkeltrennungen, der zwischen der Werkzeugachse und der Werkstückzahnradachse unter Verwendung einer einzigen Schwenkachse P, die senkrecht zu einer Achse verläuft und einen Winkel von 45º mit der anderen bildet, aufgenommen werden kann, zwischen 45º und 135º. Man beachte weiters, daß 180º relative Drehung zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse erforderlich ist, um einen Winkeltrennungsbereich von nur 90º zu erzielen.
Durch Ausrichten der Schwenkachse P senkrecht zur Werkzeug- und zur Werkstückzahnradachse in Einklang mit der bevorzugten Ausführungsform ist ein vollständiger Bereich (d.h. von 0º bis 180º) der Winkeltrennung zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse möglich. Außerdem entspricht jeder einzelne Grad relativer Drehung zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse genau dem gleichen Betrag an Winkeltrennung zwischen den Achsen. Dies minimiert das Ausmaß an Maschinenfortbewegung im Winkel, die zur Erreichung einer bestimmten Winkeltrennung zwischen den Achsen erforderlich ist.
Üblicherweise ist ein Bereich an Winkeltrennungen zwischen der Werkzeug- und der Werkstückachse von etwa 0º bis 100º erforderlich, um den Arbeitsbereich einer herkömmlichen Kegelrad- und Hypoidradwälzmaschine darzustellen. Wenn demzufolge die Schwenkachse anders als senkrecht zur Werkzeug- und Werkstückachse positioniert ist, ist es vorzuziehen, daß sich die Differenz zwischen den jeweiligen Neigungswinkeln 0º nähert und sich die Summe der Neigungswinkel 100º nähert. Allgemeiner ausgedrückt sollte die Differenz zwischen den Neigungswinkeln der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse in bezug auf die Schwenkachse weniger als einer der jeweiligen Neigungswinkel sein.
Ein CNC-System zur Steuerung des Betriebs der jeweiligen Antriebsmotoren ist in Fig.5 schematisch dargestellt. Das System enthält einen Mikrocontroller 90, der Einrichteingaben 92 in Form einer Serie von Konstanten empfängt, die eine erwünschte Beziehung zwischen einem jeweilien Werkstückzahnrad und einem theoretischen Wälzzahnrad definieren (dargestellt durch die relativen Positionen des Werkstückzahnrads und des Drehwerkzeugs). Der Mikrocontroller umfaßt die üblichen Merkmale eines Mikroprozessors, Eingangs-Ausgangsports, Speicher und Digital-Analog- Wandler. Zusätzliche Betriebseingaben 94 in den Mikrocontroller 90 dienen der Steuerung von Bewegungen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads während eigentlicher Zahnradherstellungsvorgänge (z.B. Betriebsgeschwindigkeiten, Zustellraten, Start-Stop-Positionen, Maschinenzyklen usw.). Die Einricht- und Betriebskonstanten können auf Wunsch den in einer herkömmlichen Zahnraderzeugungsmaschine verwendeten entsprechen. Beide Eingaben können interaktiv mit einem Bediener über eine Tastatur und Bildschirm (nicht dargestellt) oder indirekt durch ein Speichermedium 96 (z.B. RAM) abgerufen werden. Die Reihe an Konstanten, die das Einrichten und den Betrieb der Maschine definieren, kann für einige Aufgaben vor dem Betrieb gespeichert werden, sodaß eine Vielzahl an Aufgaben hintereinander durchgeführt werden kann, ohne weitere Bedienereingriffe gemäß herkömmlicher CNC-Praxis zu erfordern.
Der Mikrocontroller 90 wird durch ein Programm 98 zum Empfang eingegebener Daten und Berechnen der erwünschten Bahn jeder der gesteuerten Achsen gesteuert, um das theoretische Wälzzahnrad in Eingriff mit dem Werkstückzahnrad in geeigneter Weise darzustellen. Die errechneten Informationen über die erwünschte nächste Position jeder der Maschinenachsen X, Y, Z, P, T und W werden in einer Servo- Positionssteuerungsschleife mit Informationen über die tatsächlichen Positionen der jeweiligen Achsen aus den Codierungseinrichtungen 46, 54, 62, 70, 78 und 82 verglichen; Differenzen zwischen den tatsächlichen und errechneten Positionen jeder beweglichen Achse dienen dazu, jeweilige Antriebsmotoren 44, 52, 60, 68, 76 und 80, die mit jeder der Achsen verbunden sind, zu steuern.
Während des diskontinuierlichen Versetzens wird die Änderungsrate der Achsen X, Y, Z, P und W entlang ihrer gekennzeichneten Bahnen in Einklang mit der erwünschten Rotationsrate des theoretischen Wälzzahnrads, eingegeben an 94, bestimmt. Die Rotation des Drehwerkzeugs um die Achse T ist von den Bewegungen der anderen Achsen unabhängig. Während des kontinuierlichen Versetzens jedoch wird ein Teil der Rotationsrate des Werkstückzahnrads um die Achse W durch das für das theoretische Wälzzahnrad erwünschte Rotationsausmaß bestimmt, und ein zweiter Teil seiner Rotationsrate wird als fixes Verhältnis der Rotationsrate des drehenden Werkzeugs um Achse T bestimmt
CNC-Systeme zur Steuerung von Bewegungen von mehreren Maschinenachsen entlang vorgeschriebener Bahnen sind heute gängig. Solche Systeme des Stands der Technik sind in der vorliegenden Erfindung enthalten, um Bewegungen ausgewählter Achsen entlang vorgeschriebener Bahnen zu steuern, sodaß Zahnzwischenräume in Kegel- und Hypoidzahnrädern in Einklang mit einem Abwälzverfahren entstehen, bei dem das Werkstückzahnrad im Eingriff mit einem theoretischen Wälzzahnrad abgewälzt wird, dessen Rotationsachse in bezug auf die Maschinenbasis variiert.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht in ihrer bevorzugten Ausführungsform die Aufnahme von Eingaben 92, 94 in der Form von Konstanten, die die Einricht- und Betriebseigenschaften einer herkömmlichen Wälzmaschine spezifizieren (d.h. eine, die die Werkzeugachse in bezug auf eine drehbare Gestellachse neigt). Das Programm 98 enthält eine Reihe von Anweisungen zur Definition eines alternativen Koordinatensystems, in dem die für eine herkömmliche Maschine spezifizierten Positionen der Werkzeug- und Werkstückzahnradachse umgewandelt und zuverlässig durch drei Koordinatenmaße und ein Winkelmaß um eine vorbestimmte Schwenkachse lokalisiert werden können. Das Programm enthält weiters eine Reihe von Anweisungen zur Durchführung einer mathematischen Transformation bekannter Positionen der Werkzeug- und Werkstückzahnradachsen in bezug auf eine herkömmliche Wälzmaschine in Maße entlang dreier geradliniger Achsen und um eine Schwenkachse im neuen Koordinatensystem. Die bekannten Drehpositionen des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads um ihre jeweiligen Achsen in der herkömmlichen Maschine bilden auch einen Teil dieser Transformation zur Spezifizierung korrespondierender Drehpositionen des Werkzeugs und Werkstückzahnrads im neuen Koordinatensystem. Während diskontinuierlicher Versetzungsvorgänge kann jedoch die relative Drehposition des Werkzeugs unabhängig von den anderen Achsen gesteuert und aus der Transformation eliminiert werden. Die resultierenden Maße entlang der drei geradlinigen Achsen und die Winkelmaße um die Schwenkachse, die Werkstückzahnradachse und - falls erforderlich - die Werkzeugachse werden zur Steuerung korrespondierender Maschinenachsen in der neuen Maschine verwendet.
Figuren 6a und 6b sind schematische Flußdiagramme eines Computerprogramms, das dazu dienen kann, Maschinenachsenpositionen der vorliegenden Erfindung als Reaktion auf Eingabeparameter einer herkömmlichen Kegel- und Hypoidradwälzmaschine zu bestimmen. Insbesondere stellt das Flußdiagramm die allgemeine Logik dar, die erforderlich ist, um Erzeugungsvorgänge auf der neuen Maschine mit Eingabeinformationen durchzuführen, die für herkömmliche Wälzmaschinen problemlos erhältlich sind.
Das Programm umfaßt zwei Teile, die in Figuren 6a bzw. 6b dargestellt sind. Fig.6a ist ein Flußdiagramm eines Hauptprogramms, das den Maschinenbetrieb steuert, Fig.6b ist ein Flußdiagramm eines zeitlich abgestimmten "Interrupt"zyklus, der parallel zum Hauptprogramm in wiederkehrenden Intervallen ausgeführt wird. Das Hauptprogramm umfaßt eine Reihe an Anweisungen zur Steuerung der beweglichen Achsen einer herkömmlichen Maschine, und der Interruptzyklus führt einige Berechnungen zur Bestimmung der korrespondierenden Positionen der beweglichen Achsen der erfindungsgemäßen Maschine aus und sendet diese neuen Positionen an die CNC- Servo-Positionssteuerungsschleife der neuen Maschine. Der Interruptzyklus hält die Ausführung des Hauptprogramms in vorbestimmten Intervallen vorübergehend an und gibt nach Abschluß einer Reihe von Berechnungen die Steuerung an das Hauptprogramm zurück.
Das Hauptprogramm von Fig.6a erhält zwei Arten von Eingaben in Block 100. Es handelt sich um (a) Einricht-Anfangsparameter einer herkömmlichen Maschine, umfassend die Positionen ihrer verschiedenen Achsen, die relative Geschwindigkeit der Gestelldrehung in bezug auf die Werkstückzahnraddrehung zum Wälzen und die relative Geschwindigkeit der Werkzeugdrehung in bezug auf die Werkstückzahnraddrehung für das kontinuierliche Versetzen usw., sowie (b) Betriebsparameter wie z.B. Betriebsgeschwindigkeiten, Zustellraten, Start-Stop- Positionen, Maschinenzyklen usw.
Die Einricht-Anfangsparameter werden als Eingabeblöcke 102, 104 bzw. 106 an den Interruptzyklus von Fig.6b weitergeleitet. Die Betriebsparameter werden hingegen im Hauptprogramm behalten. Der erste beispielhafte Vorgang, den das Hauptprogramm durchführt, ist in Fig.6a an 108 gekennzeichnet. Dieser Vorgang umfaßt den Start der Werkzeugdrehung und die Bewegung eines imaginären Gestells- und einer Schiebebasis einer herkömmlichen Maschine zu ihren jeweiligen Startpositionen. Variable Δt, Δq und ΔXb, die jeweilige inkrementale Änderungen der Werkzeug- und Gestelldrehpositionen und der geradlinigen Schiebebasisposition darstellen, sowie Variable qs und Xbs, die jeweilige Positionen der Gestell- und Schiebebasis nach Abschluß des Vorgangs darstellen, werden durch diesen Vorgang errechnet. Der in Fig.6b gezeigte Interruptzyklus überwacht diese Variablen in Eingabeblock 110 in periodischen Abständen und führt zusätzliche Berechnungen mithilfe der aktualisierten Werte dieser Variablen durch, um korrespondierende Positionen der beweglichen Achsen der neuen Maschine zu ermitteln.
Die errechneten Werte der Variablen Δt, Δq und ΔXb können die erwünschten inkrementalen Änderungen der Positionen der herkömmlichen Maschinenachsen im Verlauf eines bestimmten Zeitintervalls zwischen aufeinanderfolgenden Interruptzyklen darstellen. Somit können die Bewegungsraten der imaginären herkömmlichen Maschinenachsen durch die errechneten Größenordnungen dieser Variablen gesteuert werden. Der Vorgang 108 beruht auf den an 100 eingegebenen Betriebsparametern, um die jeweiligen Werte dieser Variablen einzustellen, sodaß Faktoren wie Werkzeuggeschwindigkeit und Start- und Stopraten des imaginären Gestells- und der Schiebebasis gesteuert werden können.
Die errechneten Werte von qs und Xbs steuern die erwünschten Endpositionen des mit dem Vorgang 108 verbundenen Gestells- und der Schiebebasis. Der Interruptzyklus überwacht die Werte dieser Variablen, um weitere Bewegungen des Gestells- und der Schiebebasis auszusetzen, sobald ihre erwünschten Positionen erreicht wurden. Die an 100 eingegebenen Betriebsparameter können dazu dienen, die jeweiligen Werte der Variablen qs und Xbs für jeden Vorgang zu spezifizieren.
Ein Entscheidungsblock 112 folgt dem Vorgang 108 und hält das Hauptprogramm am Vorgang 108 an, bis die Achsen der neuen Maschine ihre erwünschten korrespondierenden "Start"positionen erreicht haben, die durch Variablen qs und Xbs spezifiziert sind. Typischerweise befindet sich die Startposition des imaginären Gestells im Mittelpunkt der Erzeugungswalze, wobei die Schiebebasis außerhalb des Eingriffs mit dem Werkstückzahnrad positioniert ist.
Der nächste Schritt des beispielhaften Hauptprogramms ist die Steuerung der Zustellbewegung der Schiebebasis in einen Eingriff voller Tiefe zwischen dem Drehwerkzeug und dem Werkstückzahnrad. Dieser in Block 114 angezeigte Schritt erfordert die Errechnung neuer Werte für Variablen ΔXb und Xbs. Das imaginäre Gestell wird im Mittelpunkt der Erzeugungswalze gehalten, indem dafür gesorgt wird, daß Variable qs weiterhin ihrem errechneten Wert des vorhergehenden Vorgangs entspricht; die Werkzeugdrehgeschwindigkeit wird durch einen konstanten Wert von Variable Δt beibehalten. Durch den Interruptzyklus durchgeführte Berechnungen werden durch den Inhalt von Variable ΔXb aktualisiert, um die nächsten erwünschten Positionen der neuen Maschinenachsen zu erhalten, die erwünschten Zustellbewegungen der Schiebebasis einer herkömmlichen Maschine darstellen, bis die durch den aktuellen Wert von Variable Xbs dargestellte Zustellposition voller Tiefe erreicht wurde.
Entscheidungsblock 116 hält ähnlich wie obiger Entscheidungsblock 112 den Fortgang des Hauptprogramms in Betriebsblock 114 auf, bis die Achsen der neuen Maschine ihre erwünschten Positionen erreicht haben, die der durch Variable Xbs spezifizierten Schiebebasisposition einer herkömmlichen Maschine entsprechen. Ein ähnliches Format von Betriebs- und Entscheidungsblöcken ist im Hauptprogramm für jede Gruppe an Bewegungen der herkömmlichen Maschinenachsen angeordnet, die zum Abschluß der Erzeugung durch Abwälzen von Zahnzwischenräumen in Werkstückzahnrädern erforderlich sind.
Beispielsweise wirken der Betriebsblock 118 und die Entscheidung 120 zusammen, um die Steuerung der Bewegung des imaginären Gestells der herkömmlichen Maschine zu steuern, um Werkstückzahnradzahnflächen durch Hüllkurvenverfahren zu wälzen. Während dieses Vorgangs kann Variable Xbs beim Volleingriffswert gehalten werden, der im vorhergehenden Vorgang errechnet wurde. Variable Δq wird so gesteuert, daß die erforderliche Drehung des Maschinengestells erzeugt wird, um den Abwälzeingriff eines theoretischen Wälzzahnrads darzustellen, das in das Werkstückzahnrad eingreift. Die Endposition der Gestellwalze wird durch den errechneten Wert von Variable qs spezifiziert.
Der Vorgang 122 und die Entscheidung 124 ermöglichen ein relatives Zurückziehen des Werkzeugs aus dem Werkstückzahnrad nach Abschluß des Wälzvorgangs 120. Die Entscheidung 126 sorgt für das Beenden des Maschinenbetriebs oder für die Rückkehr zu früheren Abschnitten des Hauptprogramms zum Wälzen eines ähnlichen Werkstückzahnrads oder eines von unterschiedlicher Spezifikation. Wenn ein ähnliches Werkstückzahnrad erzeugt werden soll, ist es nicht nötig, die Eingabe der Einricht- und Betriebskonstanten in Block 100 zu wiederholen.
Der zeitlich abgestimmte Interruptabschnitt des Programms, der parallel zum Hauptprogramm abläuft, führt eine Reihe von Berechnungen in wiederholter Form in vorbestimmten Zeitintervallen (z.B. 14 Millisekunden) aus. Die Ausführung des Hauptprogramms wird in vorbestimmten Zeitintervallen durch den Interruptzyklus vorübergehend angehalten, um eine Reihe von Berechnungen vorzunehmen, wobei die Steuerung nach Abschluß jedes Zyklus an das Hauptprogramm zurückgegeben wird. Der Entscheidungsblock 128 jedoch umgeht die Berechnungssequenz des Interruptzyklus und gibt die Steuerung an das Hauptprogramm zurück, sollte gerade kein Maschinenbetrieb stattfinden.
Die erste Gruppe der im Interruptzyklus durchgeführten Berechnungen ist in Block 130 dargestellt. Der Vorgang kombiniert Informationen über die Bezugspositionen der beweglichen Maschinenachsen der herkömmlichen Maschine aus Eingabeblock 102 mit Änderungen der Positionen dieser Achsen, die durch das Hauptprogramm in Eingabeblock 110 spezifiziert sind, um Werte zu erzielen, die den erwünschten Positionen der herkömmlichen Maschinenachsen entsprechen. Der Eingabeblock 110 enthält die aktuellen Werte von Variablen Δt, Δq, ΔXb, qs und Xbs aus dem Hauptprogramm. Bezugspositionen des Werkzeugs, des Gestells und der Schiebebasis aus dem Eingabeblock 102 werden als to, qo bzw. Xbo bezeichnet. Diese Werte werden im Interruptzyklus nur einmal herangezogen, um Bezugspositionen der herkömmlichen Maschinenachsen zu initialisieren, und nehmen nachher die zuletzt errechneten Werte der Maschinenachsenpositionen an. Die Ergebnisse der in Betriebsblock 130 durchgeführten Berechnungen werden an 132 als Variablen t, q und Xb weitergegeben, die die nächsten erwünschten Positionen der beweglichen herkömmlichen Maschinenachsen darstellen.
Sobald die errechneten Positionen von Variablen q oder Xb ihren durch Variablen qs und Xbs spezifizierten zugehörigen Endpositionen entsprechen, wird der aktuelle Inhalt von Variablen Δq oder ΔXb ignoriert (d.h. nullgestellt). Dadurch können Variablen q und Xb bei Abschluß jedes Vorgangs an erwünschten Positionen gehalten werden.
Zusätzlich zu Variablen t, q und Xb aus dem Vorgang 130 empfängt der Umwandlungsvorgang auch Eingaben aus Block 104 in Form einer Reihe von Einrichtkonstanten (siehe Block 132), die mit den fixen Einrichtachsen der herkömmlichen Maschine in Verbindung stehen. Diese Konstanten werden als s, Em, gm1, i und j bezeichnet. Durch diese Einrichtkonstanten dargestellte herkömmliche Maschineneinstellungen sind in Zusammenhang mit Figuren 7 und 9 weiter unten beschrieben. Ein mathematisches Umwandlungsverfahren, das ebenfalls ausführlich weiter unten dargelegt ist, wird für jede der beweglichen Maschinenachsen der neuen Maschine als Funktion der Einrichtkonstanten aus Block 104 und der nächsten Positionen der beweglichen herkömmlichen Achsen aus Vorgang 130 durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Vorgänge werden durch (a) Variablen x, y und z, die korrespondierende Positionen der jeweiligen geradlinigen Achsen X, Y und Z der neuen Maschine spezifizieren, (b) Variable gm, die die korrespondierende Winkelposition der Werkstückzahnradachse relativ zur Werkzeugachse um die Schwenkachse P spezifiziert und (c) Variablen α und β empfangen, die Phasenwinkeleinstellungen an den Drehpositionen der Werkstückachse W und der Werkzeugachse T spezifizieren, die mit der Umwandlung zum Koordinatensystem der neuen Maschine in Verbindung stehen.
Ein nachfolgender Vorgang 134 dient zur Bestimmung der erwünschten Drehposition der Werkstückzahnradachse in Einklang mit Phasenwinkeln α und β und anderen Einrichtkonstanten aus Eingabeblock 106. Die verbleibenden Einrichtkonstanten aus Block 106 umfassen das Verhältnis der Abwälzkonstante Ra, die das Verhältnis der relativen Drehung zwischen dem imaginären Gestell und dem Werkstückzahnrad spezifiziert (ist für das Wälzen erforderlich), die Versetzungskonstante Rc, die das Verhältnis der relativen Drehung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad für das kontinuierliche Versetzen spezifiziert, und die Bezugskonstante wo, die eine bekannte Drehposition zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad spezifiziert. Andere nicht dargestellte Konstanten können dazu verwendet werden, die Werkstückzahnradachsen-Drehposition weiter einzustellen, um spezielle Bewegungen herkömmlicher Maschinen wie z.B. das "modifizierte Abwälzen" zu kopieren.
Obwohl sich Phasenwinkel β auf eine Einstellung an der Drehposition der Werkzeugachse bezieht, kann es erwünscht sein, die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs konstant zu halten. Phasenwinkelanpassung β kann an der Drehposition der Werkstückzahnradachse vorgenommen werden, während die gleichen relativen Positionen zwischen der Werkzeug- und die Werkstückzahnradachse beibehalten werden, indem die Werkstückzahnradachse zusätzlich um den Winkel β, multipliziert durch den Kehrwert der Versetzungskonstante Rc, gedreht wird. Demzufolge kann die Position der Werkstückzahnradachse W anhand der Bezugsposition der Werkstückzahnradachse wo, kombiniert mit einer Funktion des Verhältnisses der Abwälzkonstante Ra und der Änderung der Gestellposition Δq, einer Funktion der Versetzungskonstante Rc und der Änderung der Werkzeugdrehposition Δt, einer Funktion der Versetzungskonstante Rc und des Phasenwinkels β sowie des Phasenwinkels α, errechnet werden.
Die errechneten Werte von x, y, z, gm, t und w werden dann an die Servo- Positionssteuerungsschleife des CNC-Systems zur Steuerung der jeweiligen Achsen X, Y, Z, P, T und W der neuen Maschine ausgegeben. Die Programmausführung kehrt dann bis zum nächsten Interrupt zum Hauptprogramm zurück.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Anzahl an Rechengängen, die zur Steuerung des Betriebs der neuen Maschine erforderlich sind, verringert werden, indem die Betriebskonstanten für die Z-Achse der neuen Maschine an die Stelle von Betriebskonstanten zur Steuerung der Bewegungen der Schiebebasis einer herkömmlichen Maschine treten. Statt der Berechnungswerte von ΔXb im Hauptprogramm können Werte von Δz in Richtung der Z-Achse der neuen Maschine berechnet werden, um Bewegungswerte der Schiebebasis in einer herkömmlichen Maschine anzunähern. Variable Xb bleibt daher gleich Bezugskonstante Xbo, wobei die einzige Variable in der Umwandungsfunktion, die einer Änderung unterliegt, q ist.
Da sich jede Ausgangsvariable des Umwandlungsvorgangs 132 nur als Reaktion auf sich ändernde Werte von Variable q ändert, können Nachschlagetabellen, die im vorhinein berechnete Werte für die Ausgangsvariablen in einem erwarteten Wertebereich für Variable q auflisten, an die Stelle der durch diesen Vorgang durchgeführten mathematischen Umwandlungen treten. Die Tabelle von im vorhinein berechneten Werten kann verkleinert und gleichzeitig deren erwünschte Präzision beibehalten werden, indem allgemein bekannte Interpolationsverfahren für Werte von q angewendet werden, die nicht genau mit den in der Tabelle aufgelisteten q-Werten übereinstimmen.
Die Variable Δz kann dann dazu verwendet werden, den in der Tabelle aufgelisteten Wert von z zu modifizieren, um die Z-Achse der neuen Maschine in geeigneter Weise zu positionieren. Die aufgelisteten Werte der anderen Ausgangsvariablen von Vorgang 132 (x, y, gm, α und β) werden im übrigen Abschnitt des Interruptzyklus in gleicher Weise behandelt, als ob sie in "Echtzeit" errechnet würden. Die Verwendung einer Nachschlagetabelle anstelle langwieriger Berechnungsverfahren verkürzt das erforderliche Zeitintervall des Interruptzyklus und kann zu verbesserter Präzision und Geschwindigkeit des Maschinenbetriebs beitragen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Ausdruck "Maschinenbestimmung" auf die Vorgänge der Computereingabe und Berechnung, die notwendig sind, um die erwünschten Positionen der beweglichen Maschinenachsen zu erzielen. Somit kann der Betrieb der neuen Maschine für Wälzerzeugungszwecke durch folgende Schritte zusammengefaßt werden: (a) Maschinenbestimmen anfänglicher Einrichtpositionen beweglicher Maschinenachsen der neuen Maschine auf der Grundlage von Einrichtparametern unterschiedlich konfigurierter Achsen einer herkömmlichen Kegel- und Hypoidradwälzmaschine, (b) Bewegen der Achsen der neuen Maschine zu den Einricht-Anfangspositionen, (c) Maschinenbestimmen weiterer Betriebspositionen der Achsen der neuen Maschine auf der Grundlage von Betriebsparametern, die sich auf relative Bewegungen der unterschiedlich konfigurierten Achsen der herkömmlichen Maschine beziehen, und (e) Wiederholen der Schritte (c) und (d) zum Abschluß des Wälzvorgangs.
Man beachte, daß herkömmliche Maschineneingaben in die neuartige Maschine der vorliegenden Erfindung die Nutzung eines sehr großen Wissenspotentials im Bereich der Entwicklung der Zahngeometrie hinsichtlich des Einrichtens und des Betriebs herkömmlicher Maschinen ermöglichen. Außerdem kann dieses Wissen in einem größeren Umfang bei der erfindungsgemäßen Maschine zum Tragen kommen, was viele der physikalischen Einschränkungen, z.B. beschränkte Bereiche der Werkzeugneigung, die ein Charakteristikum bestimmter herkömmlicher Maschinen sind, aufhebt. Alle bekannten speziellen Bewegungen bestimmter Wälzmaschinen wie z.B. die "Schraubenbewegung" und das "modifizierte Wälzen" können mit der vorliegenden Erfindung problemlos durchgeführt werden, indem die bekannten Positionen der herkömmlichen Maschine definiert und die erforderlichen Umwandlungen in das Koordinatensystem der neuen Maschine durchgeführt werden.
Figuren 7 bis 9 zeigen bekannte geometrische Beziehungen, die Einrichtparameter zum Positionieren eines Werkzeugs und Werkstückzahnrads auf einer herkömmlichen Kegel- und Hypoidradwälzmaschine beschreiben. In jeder Figur sind die geometrischen Beziehungen über einer Teilkontur der herkömmlichen Maschine dargestellt.
Die Kontur zeigt den Werkzeugsupport 140 und den Werkstücksupport 142. Das Gestell 144 ist im Werkzeugsupport 140 zur Drehung um die Gestellachse "C&sub1;" montiert, die auch die Achse eines durch das Maschineneinrichten definierten imaginären Wälzzahnrads ist. Der Neigungsmechanismus 146 und das Drehwerkzeug 148 werden durch das Gestell 144 getragen. Das Drehwerkzeug 148 ist im Neigungsmechanismus 146 zur Rotation um die Werkzeugachse "T&sub1;" gelagert. Das Werkstückzahnrad 150 ist im Werkstücksupport 142 zur Rotation um die Werkstückzahnradachse "W&sub1;" gelagert.
Man erkennt aus diesen Figuren, daß das Werkzeug 148 im Vergleich zu den typischen Proportionen einer herkömmlichen Maschine verkleinert ist und um die Gestellachse C&sub1; aus dem operablen Eingriff mit dem Werkstückzahnrad 150 gelöst wurde, um die geometrischen Beziehungen beim Einrichten der herkömmlichen Maschine besser zu veranschaulichen. Während des Betriebs wird das Werkzeug 148 mit dem Werkstückzahnrad 150 in operablen Eingriff gebracht und in einer zeitlich abgestimmten Beziehung (z.B. im Verhältnis Ra, siehe oben) mit der Drehung des Werkstückzahnrads 150 um die Achse W&sub1; um die Gestellachse C&sub1; gedreht. Auf diese Weise wird eine relative Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug 148 und dem Werkstückzahnrad 150 bewirkt, so als ob das Werkstückzahnrad mit einem theoretischen Wälzzahnrad in Eingriff stünde, dessen Rotationsachse mit der Gestellachse C&sub1; zusammenfällt. Kontinuierliches Versetzen erfordert auch eine zeitlich abgestimmte Drehung (z.B. im Verhältnis Rc, siehe oben) des Werkzeugs 148 und des Werkstückzahnrads 150 um ihre jeweiligen Achsen. Die zeitlich abgestimmten Drehungen des Werkstückzahnrads 150 aufgrund des Wälzens und kontinuierlichen Versetzens überlagern einander, um die resultierende Werkstückzahnraddrehung zu steuern.
Die Werkzeugachse T&sub1; enthält einen Punkt "A&sub1;" entlang ihrer Länge an der Endfläche von Werkzeug 148. Punkt A&sub1; gilt als Werkzeugmittelpunkt und liegt in einer vertikalen Ebene "VR", die sich senkrecht zur Gestellachse C&sub1; an Punkt "O&sub1;" entlang der Gestellachse erstreckt. Die Ebene VR wird als "Ebene der Gestelldrehung" bezeichnet. Punkt A&sub1; befindet sich in dieser Ebene an der Länge "s" des Liniensegments O&sub1;-A&sub1; in einem Polwinkel "q", gemessen von der horizontalen Ebene "H", die sich parallel zur Werkstückzahnradachse W&sub1; erstreckt und Gestellachse C&sub1; enthält.
Die Werkstückzahnradachse W&sub1; befindet sich in einem Abstand "Em" von der horizontalen Ebene H. Dieser Abstand wird im allgemeinen als "Werkstückversetzung" bezeichnet. Außerdem ist die Werkstückzahnradachse W&sub1; zur Ebene der Gestelldrehung VR in einem Winkel "gm1" geneigt. Ein Punkt "Po" auf der Werkstückzahnradachse W&sub1; ist durch den Schnittpunkt der Werkstückzahnradachse W&sub1; mit der vertikalen Ebene "VA" definiert, die die Gestellachse C&sub1; enthält und sich senkrecht zur horizontalen Ebene H und der Ebene der Gestelldrehung VR erstreckt. Punkt Po ist von der Ebene der Gestelldrehung um den Abstand "Xb" versetzt. Dieser Parameter variiert mit der Tiefe der Werkzeugeindringung in das Werkstückzahnrad.
Die erwünschte Ausrichtung der Zahnflächen auf dem theoretischen Wälzzahnrad wird durch Neigen der Werkzeugachse T&sub1; in bezug auf Linie "N" erreicht, die sich senkrecht zur Ebene der Gestelldrehung an Punkt A&sub1; erstreckt. Winkel "i" ist in echter Länge in der Vorderansicht von Fig.9 dargestellt. Die Winkelausrichtung der geneigten Werkzeugachse in der Ebene der Gestelldrehung (Fig.7) ist durch Winkel "j" wiedergegeben, der in bezug auf eine Linie "M" gemessen wird, die sich senkrecht zum Liniensegment O&sub1;-A&sub1; in Ebene VR erstreckt. Die Winkel i und j werden als "Neigungs-" bzw. "Schwenkwinkel" bezeichnet.
Während des Betriebs der herkömmlichen Maschine wird die geneigte Werkzeugachse T&sub1; in einem sich ändernden Winkel q in zeitlich abgestimmter Beziehung mit der Drehung des Werkstückzahnrads 150 um die Gestellachse C&sub1; gedreht. Die Änderung des Winkels q bewirkt eine Änderung der Winkelausrichtung der Werkzeugachse T&sub1; in bezug auf die fixen Bezugsebenen VA und H der herkömmlichen Maschine. Dadurch kann das Werkzeug die geneigten Zahnflächen eines theoretischen Wälzzahnrads darstellen, das um eine mit der Gestellachse C&sub1; zusammenfallende fixe Achse gedreht wird.
Zur weiteren Veranschaulichung der anfänglichen Einrichterfordernisse einer herkömmlichen Maschine wird ein Kartesisches Koordinatensystem, das durch drei zueinander orthogonale Einheitsvektoren "e&sub1;", "e&sub2;" und "e&sub3;" definiert ist, mit Bezugsebenen VR, VA und H zusammenfallend ausgerichtet. Die Einheitsvektoren e&sub1; und e&sub2; erscheinen in den jeweiligen Spuren von Horizontalebene H und Vertikalebene VA durch Vertikalebene VR. Einheitsvektor e&sub3; erscheint in der Spur der Vertikalebene VA durch die Horizontalebene H.
Die Werkstückzahnradachse W&sub1; wurde verlängert und enthält auf ihrer Länge Einheitsvektor "g&sub1;". Einheitsvektor g&sub1; kann durch die folgende Beziehung wiedergegeben werden:
g&sub1; = -cos gm1 e&sub1; - sin gm1 e&sub3;.
Einheitsvektor "a&sub1;" kommt hinzu, um die Drehposition des Werkstückzahnrads 150 um die Achse W&sub1; zu identifizieren, und wird durch das folgende Vektor-Exprodukt definiert:
a&sub1; = e&sub2; x g&sub1;.
Einheitsvektoren g&sub1; und a&sub1; identifizieren die Ausrichtung von Werkstückzahnrad 130 auf der herkömmlichen Maschine und sind in Fig.8 in echter Länge dargestellt.
Die Ansichten aus Figuren 10, 11 und 12 entsprechen den Ansichten von Figuren 7, 8 und 9. Die Kontur der herkömmlichen Maschine wurde jedoch entfernt, um die Konstruktionen übersichtlicher darzustellen; außerdem wurden zusätzliche - nachstehend besprochene - Bezugslinien eingefügt.
Vektor r&sub1; erstreckt sich vom Werkzeugmittelpunkt A&sub1; zum Punkt Po auf der Werkstückachse W&sub1; und legt dadurch Punkt Po in bezug auf den Werkzeugmittelpunkt A&sub1; fest. In Hinblick auf die weiter oben besprochenen Einstellungen der herkömmlichen Maschine wird Vektor r&sub1; folgendermaßen definiert:
r&sub1; = (-s cos q) e&sub1; + (s sin q - Em) e&sub2; + Xb e&sub3;.
Obwohl im vorliegenden Beispiel der Schwenkpunkt Po in der Spur der Ebene VA in Fig.8 liegt, ist zu beachten, daß andere Positionen der Schwenkachse entlang der Zahnradachse dazu verwendet werden können, Maschinenbewegungen für einen bestimmten Bereich an Antriebszahnrädern zu minimieren. Beispielsweise kann der Schwenkpunkt Po über die nicht dargestellte Entfernung Pg entlang der Zahnradachse vom Schnittpunkt auf der Zahnradachse mit Ebene VA bewegt werden. In diesem Fall muß die rechte Seite der obigen Gleichung modifiziert werden, indem der Ausdruck Pgg&sub1; subtrahiert wird, um Vektor r&sub1; wieder zur neuen Schwenkachsenstelle zu lenken.
Ein Beispiel der erwünschten Maschinenkonfiguration in der vorliegenden Erfindung in Einklang mit der dargestellten Ausführungsform sieht die Positionierung von Werkzeugachse T&sub1; senkrecht zur Ebene der Gestelldrehung VR vor. Dies läßt sich erreichen, während die relative Ausrichtung des Werkzeugs und Werkstückzahnrads in bezug auf die herkömmliche Maschine beibehalten wird, indem sowohl die Werkzeug- als auch die Werkstückzahnradachse um eine Linie gedreht werden, die sich senkrecht zur Spur der Werkzeugachse T&sub1; in der Ebene VR (d.h. in der Ebene von Fig.10) erstreckt.
Demzufolge wurde der Einheitsvektor "v" in der Ebene VR entlang einer Senkrechten zur Spur der Werkzeugachse T&sub1; hinzugefügt. Einheitsvektor v läßt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:
v = cos(q - j) e&sub1; - sin(q - j) e&sub2;.
Die Werkzeugachse T&sub1; wird parallel zur Gestellachse C&sub1; ausgerichtet, indem sowohl die Werkzeug- als auch die Werkstückzahnradachse um Vektor v in einem Winkelausmaß gedreht werden, dessen Größenordnung dem Winkel von Neigung i entspricht, das jedoch eine entgegengesetzte Richtung aufweist. Da ein solches Rotationsausmaß aber ausgewählt wurde, um die Werkzeugachse zu einer erwünschten Winkelausrichtung auszurichten (d.h. senkrecht zur EbeneVR), ist es lediglich erforderlich, Bezugsvektoren g&sub1;, a&sub1; und r&sub1; zu drehen. Die gedrehten Positionen dieser Bezugsvektoren werden gemäß den folgenden Beziehungen durch Vektoren "g", "a" bzw. "r" wiedergegeben:
Die Ansichten von Figuren 13 und 14 entsprechen den Ansichten von Figuren 10 und 12. Aufgrund der Anzahl wichtiger Linien, die in der relativ kleinen Ansicht von Fig.14 gezeigt werden müssen, ist diese Ansicht in Fig.17 stark vergrößert dargestellt. Die neuen gedrehten Stellen der Werkzeug- und Werkstückachsen sind mit T bzw. W gekennzeichnet - zum Unterschied von ihren mit Indizes versehenen Kennzeichnungen (T&sub1; und W&sub1;) an ihren Anfangspositionen. Bezugsvektoren g, a und r befinden sich in ihren neuen Positionen - im Gegensatz zu ihren Anfangspositionen, die durch Buchstaben mit tiefgestellten Zeichen gekennzeichnet sind (g&sub1;, a&sub1; und r&sub1;). Vektor r erstreckt sich nun von der neuen Position des Werkzeugmittelpunkts an Punkt "A" zu Punkt Po. Die neue Position der Gestellachse ist zwar kein Teil der soeben beschriebenen Drehung, ist aber (so als ob die Gestellachse gedreht würde) mit "C" in Fig.17 gekennzeichnet. Dies entspricht der gedrehten Position der theoretischen Wälzzahnradachse.
Die Ebene aus Fig.13 kann nun als vordere Ebene der neuen Zahnradherstellungsmaschine der vorliegnden Erfindung angesehen werden. Werkzeugachse T ist somit senkrecht zur vorderen Ebene der neuen Maschine. Es ist aber auch wünschenswert, daß die Werkstückachse W zur Gänze in einer horizontalen Ebene der neuen Maschine liegt. Man erreicht dies, indem die Spur einer neuen horizontalen Ebene definiert wird, um mit einer neuen Ausrichtung des Werkstückachsenbezugsvektors g zusammenzufallen, der in die Ebene von Fig.13 ragt.
Ein neues orthogonales Koordinatensytem ist nun an der vorderen Ebene der neuen Maschine angefügt. Der Ursprung des neuen orthogonalen Koordinatensystems mit Achsen X, Y und Z besitzt seinen Mittelpunkt an Punkt Po, und die X-Achse des neuen Koordinatensystems ist mit der Projektion von Vektor g in der Ebene von Fig.13 ausgerichtet. Die Y-Achse des neuen Systems liegt ebenfalls in der Ebene von Fig.13 (d.h. in der vorderen Ebene der neuen Maschine) und ist in einem Winkel von 90º gegen den Uhrzeigersinn zur X-Achse angeordnet.
Fig.15 zeigt die neue horizontale Ebene einer erfindungsgemäß konfigurierten Maschine, deren Spur als X-Achse in Fig.13 erscheint. Die Werkstückachse W liegt zur Gänze in der Ebene von Fig.15 und bildet einen Winkel gm mit der vorderen Ebene der neuen Maschine. Die dritte orthogonale Achse Z des neuen Koordinatensystems ist in der Ebene von Fig.15 definiert und in einem Winkel von 90º im Uhrzeigersinn zur X- Achse angeordnet.
Für weitere Berechnungen werden die Einheitsvektoren ux, uy und uz an den neuen orthogonalen Koordinatenachsen angefügt. Die orthogonalen Einheitsvektoren können mathematisch wie folgt definiert werden:
Die Stelle des Werkzeugmittelpunkts A im neuen Koordinatensystem wird durch Maße x, y und z entlang der jeweiligen Koordinatenachsen identifiziert, die durch folgende Beziehungen wiedergegeben werden:
Punkt Po, der Ursprung des neuen Koordinatensystems, kann auch als der Punkt der neuen Maschine angesehen werden, um den die Werkstückachse W in der neuen horizontalen Eben geschwenkt werden kann. Die Schwenkachse P erstreckt sich durch Punkt Po entlang der Y-Koordinatenachse. Somit erstreckt sich in der horizontalen Ebene von Fig.15, worin sowohl die Werkzeugachse T als auch die Werkstückachse W in echter Länge erscheinen, die Schwenkachse P senkrecht zu beiden Achsen und zur Ebene ihrer Ansicht. Die Winkeltrennung zwischen der Werkzeug- und der Werkstückachse "gm" aus Fig.15 kann wie folgt errechnet werden:
sin gm = -g uz.
Die relativen Positionen der Werkzeugachse T und der Werkstückzahnradachse W können durch vier Komponentenmaße (x, y, z und gm) zur Gänze definiert werden. Die beweglichen Maschinenachsen der neuen Maschine ermöglichen die unabhängige Einstellung der relativen Positionen der Werkzeugachse und der Werkstückzahnradachse entlang jeder dieser Komponentenrichtungen. Man kann nun erkennen, daß das in Figuren 13 bis 16 definierte orthogonale Koordinatensystem exakt den Richtungen X, Y und Z in Fig.3 zur Definition der Bewegungsrichtungen der verschiedenen Maschinenachsen in der vorliegenden Erfindung entspricht. Die Schwenkachse P, Werkstückachse W und Werkzeugachse T entsprechen in der Anordnung der Figuren 13 bis 16 auch den Achsen mit gleichen Bezeichnungen, die für die vorliegende Erfindung in der vorhergehenden Figur definiert wurden.
Neben der Steuerung der relativen Positionen der Werkzeugachse T und der Werkstückzahnradachse W ist es weiters wichtig, die Drehposition des Werkstückzahnrads um seine Achse W zu steuern. Figuren 8 und 11 zeigen den Rotationsbezugsvektor a&sub1; in seiner anfänglichen Position in der horizontalen Ebene der herkömmlichen Wälzmaschine. Die Drehung der Werkstückzahnradachse W&sub1; um Vektor v bewegt Vektor a&sub1; aus der horizontalen Ebene H der herkömmlichen Maschine zu Position a. Fig.16 ist eine auf Werkstückzahnradachse W hinunterblickende Ansicht der gedrehten Position von Vektor a in bezug auf die horizontale Ebene X-Z der neuen Maschine. Das Neigungsausmaß des Keilnutliniensegments wird durch den Winkel "α" wiedergegeben. Dieser Winkel stellt eine Phasenverschiebung der Werkstückzahnradwinkelposition in bezug auf die anfängliche Winkelposition des Werkstückzahnrads in der herkömmlichen Maschine dar. Winkel α kann wie folgt definiert werden:
sin α = -a&sub1; uy.
Ein ähnlicher Phasenverschiebungswinkel "β" ist erforderlich, um die neue Winkelposition des Werkzeugs zu erhalten, wenn ein kontinuierliches Versetzungsverfahren angewendet wird. Das kontinuierliche Versetzen überlagert eine zeitlich abgestimmte Beziehung zwischen der Werkzeug- und Werkstückzahnraddrehung zusätzlich zu den herkömmlichen Wälzbewegungen der Maschine. Winkel β wird folgendermaßen ausgedrückt:
sin β = -v uy.
Üblicherweise ist es wünschenswert, die Drehgeschwindigkeit des Werkzeugs konstant zu halten; der Phaseneinstellwinkel β wird auf die Drehung des Werkstückzahnrads übertragen. Dies kann erreicht werden, indem ein proportionaler Betrag dieser Einstellung im gleichen vorbestimmten Verhältnis der Werkzeug- und Werkstückzahnraddrehung, das für das kontinuierliche Versetzen erforderlich ist, subtrahiert wird.
Somit können die relativen Positionen des Werkzeugs 128 und des Werkstückzahnrads 130, die für die herkömmliche Wälzmaschine durch Parameter s, q, Em, gm1, Xb, i und j definiert sind, nun in einer neuen Wälzmaschine durch drei geradlinige Parameter x, y und z sowie drei Rotationsparameter gm, α und β definiert werden. Im Wälzverfahren unter Verwendung der in Figuren 7 bis 9 dargestellten herkömmlichen Maschine führen das Gestell 124 und das Werkstückzahnrad 130 koordinierte Drehungen um ihre jeweiligen Achsen aus. Dies ist als relative Abwälzbewegung bekannt, so als ob ein theoretisches Wälzzahnrad mit dem Werkstückzahnrad in Eingriff stünde. Der Einrichtparameter einer herkömmlichen Maschine, der diese Funktion steuert, ist in Figuren 6a und 6b als Ra gekennzeichnet. Jede Position der Gestellwalze entspricht einem unterschiedlichen Polwinkel q und einer unterschiedlichen Werkstückzahnraddrehposition. Kontinuierliche Versetzungsvorgänge überlagern diese Beziehung mit einer zeitlich abgestimmten Beziehung (in Figuren 6a und 6b als Rc bezeichnet) zwischen der Drehung des Werkzeugs und des Werkstückzahnrads.
Die oben beschriebene Umwandlung zu Komponenten x, y, z, gm, α und β der vorliegenden Erfindung erfolgt für jede Abwälzposition des Gestells und die zugehörigen Drehpositionen des Werkzeugs und Werkstückzahnrads auf der herkömmlichen Maschine. Die neuen Komponentenwerte von x, y, z und gm spezifizieren die exakten Positionen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse auf der neuen Maschine, die erforderlich sind, um die gleichen relativen Positionen dieser Achsen auf einer herkömmlichen Maschine darzustellen. Phasenwinkel α und β modifizieren die bekannten Drehpositionen des Werkzeugs und Werkstückzahnrads, die mit dem Wälzen und kontinuierlichen Versetzen auf einer herkömmlichen Maschine in Verbindung stehen, um Änderungen ihrer relativen Positionen auszugleichen, die die Umwandlung zu einem neuen Koordinatensystem begleiten. Man beachte daher, daß das Wälzen einer herkömmlichen Wälzmaschine durch Komponenten x, y, z, gm, α und β in Einklang mit der obigen Ableitung exakt dargestellt werden kann.
Weiters ist zu beachten, daß in jedem Moment des Abwälzens durch Winkel q die Werkzeugachse T im obigen Beispiel in einer fixen Winkelausrichtung bleibt, während Werkstückachse W bezüglich ihrer Winkelausrichtung innerhalb einer horizontalen Ebene X-Z variiert, die parallel zur Werkzeugachse T angeordnet ist. Dieses Merkmal ermöglicht sowohl die minimale als auch die maximale Winkeltrennung zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse und erfordert gleichzeitig die geringste Menge an relativer Winkelbewegung zur Änderung ihrer relativen Winkeltrennungen.
Obwohl die obigen mathematischen Beziehungen als Vektoroperationen, d.h. in einem seit langer Zeit von Zahnradtheoretikern bevorzugten Format, ausgedrückt wurden, können die gleichen Beziehungen auch problemlos zu äquivalenten trigonometrischen Ausdrücken erweitert oder in einer einzigen Matrizentransformation gesammelt werden. Beispielsweise kann eine geeignete Transformationsmatrix definiert werden, indem die Richtungskosinusse von Koordinateneinheitssektoren (z.B. ux, uy und uz) der neuen Maschine in bezug auf die Koordinatenvektoren (z.B. e&sub1;, e&sub2; und e&sub3;) der herkömmlichen Maschine im Matrixformat angeordnet werden. Bezugsvektoren des Werkzeugs und Werkstückzahnrads auf der herkömmlichen Maschine (z.B. g&sub1;, a&sub1; und r&sub1;) können dann durch Multiplikation mit der vordefinierten Matrix zu neuen Bezugsvektoren (z.B. g, a und r) im Koordinatensystem der neuen Maschine umgewandelt werden.
Ungeachtet der Durchführung der Transformation ist es wichtig, daß die Schwenkachse und entweder die Werkzeug- oder die Werkstückzahnradachse in fixen Winkelausrichtungen innerhalb eines an der neuen Maschine angeordneten Koordinatensystems definiert sind. Vorzugsweise sorgen die drei geradlinigen beweglichen Achsen der neuen Maschine für eine relative Bewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad in Richtungen, die den Koordinatenachsen des angeordneten Koordinatensystems entsprechen. Es ist außerdem wichtig, daß die Schwenkachse in bezug auf die Werkzeug- und die Werkstückzahnradachse ausgerichtet ist, um einen Bereich an Winkeltrennungen zwischen der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse aufzunehmen. Dieser Bereich ist durch die Summe und Differenz zwischen den jeweiligen Neigungswinkeln zwischen der Schwenkachse sowie der Werkzeug- und Werkstückzahnradachse definiert. Vorzugsweise ist die Schwenkachse mit einer der Koordinatenachsen des angeordneten Koordinatensystems ausgerichtet und bildet rechte Winkel mit der Werkzeug- und der Werkstückzahnradachse.
Eine alternative Ausführungsform ist in Fig.18 dargestellt, worin eine Schleifscheibe 152 in Form einer ausgebauchten Schale auf dem Werkzeugkopf 154 montiert ist. Ansonsten ist die dargestellte Maschine mit jener der Figuren 1 und 2 identisch. Typischerwesie werden Schleifscheiben in Form einer ausgebauchten Schale auf herkömmlichen Kegel- und Hypoidraderzeugungsmaschinen in Nichtwälzvorgängen eingesetzt. Statt der Verwendung des herkömmlichen Maschinengestells zur Durchführung der relativen Wälzerzeugungsbewegung wird das Maschinengestell dazu verwendet, eine Pendelbewegung zu erzeugen, die die Schleifscheibe in Form einer ausgebauchten Schle entlang der Zahnlänge vor- und zurückschaukelt. Dieses Verfahren dient vor allem der Verbesserung der Kontaktbedingungen im Schleifbereich von nichtgewälzten Zahnrädern.
Die gleiche Umwandlung vom Koordinatensystem einer herkömmlichen Maschine in die Maschine der vorliegenden Erfindung kann für jedes Inkrement der Gestelldrehung durchgeführt werden. Obwohl die Werkstückzahnraddrehung nicht mehr mit der Gestellrotation in Zusammenhang steht, muß der obige Phasenwinkel α dazu verwendet werden, die Drehposition des Werkstückzahnrads einzustellen, um die Umwandlung begleitende Änderungen in seiner relativen Drehposition in bezug auf die Werkzeugachse auszugleichen.
Es ist weiters zu beachten, daß die erfindungsgemäße Kegel- und Hypoidradwälzmaschine zur Erzeugung in Längsrichtung gekrümmter, parallelachsiger Zahnräder herangezogen werden kann. Ein Herstellungsverfahren solcher Zahnräder gemäß einem kontinuierlichen Versetzungsvorgang auf einer herkömmlichen Kegel- und Hypoidradwälzmaschine ist in US-Patent Nr. 4.211.511 beschrieben. Wiederum kann die gleiche Umwandlung beweglicher Achsen in Einklang mit der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, sodaß herkömmliche Maschineneingaben der Steuerung einer stark vereinfachten Anordnung an Maschinenachsen dienen können.
Obwohl nur eine beschränkte Anzahl an Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurde, ist es für Fachleute auf dem Gebiet offenkundig, daß zahlreiche andere Ausführungsformen in Einklang mit den Lehren der in den beigelegten Patentansprüchen dargelegten vorliegenden Erfindung möglich sind.

Claims

1. Maschine zum Herstellen in Längsrichtung gekrümmter Zahnzwischenräume in Kegel- und Hypoidzahnrädern unter Verwendung eines Werkzeugs (26) mit materialabtragenden Oberflächen, umfassend:

eine Maschinenbasis (10);

einen auf der Basis montierten Werkzeugsupport (12);

ein Mittel zum Rotieren des Werkzeugs im Werkzeugsupport um eine Werkzeugachse (T);

einen auf der Basis montierten Werkstücksupport (14);

ein Mittel zum Drehen eines Werkstückzahnrads (42) im Werkstücksupport um eine Bearbeitungsachse (W);

ein Mittel zum Erzeugen einer relativen Translationsbewegung zwischen dem Werkzeugsupport und dem Werkstücksupport entlang dreier zueinander orthogonaler Achsen (X, Y und Z); und

ein Mittel zum Erzeugen einer relativen Winkelbewegung zwischen dem Werkzeugsupport (12) und dem Werkstücksupport (14) um eine Schwenkachse (P);

wobei die Maschine ein Computersteuerungsmittel umfaßt, um die Drehung des Werkstückzahnrads, die relativen Translationsbewegungen zwischen dem Werkzeug- und dem Werkstücksupport und die Winkelbewegung zwischen der Werkzeug- und der Bearbeitungsachse (T, W) während des Herstellungsvorgangs im wesentlichen gleichzeitig zu steuern, damit eine vorbestimmte relative Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad erzeugt wird, so als ob das Werkstückzahnrad mit einem theoretischen Herstellungszahnrad, das sich um eine theoretische Wälzzahnradrotationsachse dreht und Zahnoberflächen aufweist, die durch die materialabtragenden Oberflächen des Werkzeugs dargestellt werden, in Eingriff stünde, wobei die theoretische Herstellungszahnradachse hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung in bezug auf die Maschinenbasis im Laufe der vorbestimmten relativen Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad variiert, dadurch gekennzeichnet, daß das Computersteuerungsmittel weiters ein Mittel zum Einstellen der Drehung des Werkstückzahnrads als Funktion der variierenden Winkelausrichtung der theoretischen Herstellungszahnradachse umfaßt, sodaß die vorbestimmte relative Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad korrigierenden Modifikationen unterworfen wird.

2. Maschine nach Anspruch 1, worin das Computersteuerungsmittel weiters die relative Bewegung zwischen dem Werkzeugsupport (12) und dem Werkstücksupport (14) entlang der Translationsachsen steuert, wodurch das Werkzeug (26) entlang kreisförmig und nichtkreisförmig gekrümmter Bahnen geführt werden kann.

3. Maschine nach Anspruch 1, worin das Computersteuerungsmittel weiters die Bewegung entlang der Maschinenachsen steuert, um das Werkstückzahnrad zu positionieren, wodurch eine Werkstückversetzung möglich ist.

4. Maschine nach Anspruch 1, worin das Computersteuerungsmittel weiters folgendes umfaßt: ein Mittel zum Bestimmen von Einricht-Anfangsparametern unterschiedlich konfigurierter Achsen einer herkömmlichen Kegel- und Hypoidzahnradherstellungsmaschine jener Art, die ein um eine Gestellachse drehbares Gestell, einen Werkzeugsupport mit einer Werkzeugachse, der einstellbar auf dem Gestell montiert ist, um die Werkzeugachse in bezug auf die Gestellachse zu neigen, und einen Werkstücksupport mit einer Bearbeitungsachse enthält, wobei die Einricht- Anfangsparameter zumindest einen Werkstückversetzungsparameter umfassen; und

ein Mittel zum Bestimmen weiterer Betriebspositionen der computergesteuerten Achsen auf der Grundlage von Betriebsparametern, die mit relativen Bewegungen der unterschiedlich konfigurierten Achsen der herkömmlichen Maschine in Verbindung stehen;

wobei die weiteren Betriebsmittel für die Durchführung einer Koordinatentransformation sorgen, um Betriebspositionen, die durch die herkömmlichen Maschinenachsen erreicht würden, mit weiteren Betriebspositionen der computergesteuerten Achsen in Beziehung zu setzen.

5. Maschine zum Herstellen in Längsrichtung gekrümmter Zahnzwischenräume in Kegel- und Hypoidzahnrädern unter Verwendung eines Werkzeugs (26) mit materialabtragenden Oberflächen, umfassend:

eine Maschinenbasis (10);

einen auf der Basis montierten Werkzeugsupport (12);

einen auf der Basis montierten Werkstücksupport (14);

ein Mittel zum Erzeugen einer relativen Translationsbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückträger entlang dreier zueinander orthogonaler Achsen (X, Y und Z); und

ein Mittel zum Erzeugen einer relativen Winkelbewegung zwischen dem Werkzeugsupport und dem Werkstücksupport um eine Schwenkachse (P);

wobei die Maschine ein Computersteuerungsmittel umfaßt, um die Drehung des Werkstückzahnrads, die relativen geradlinigen Bewegungen zwischen dem Werkzeug- und dem Werkstücksupport und die Winkelbewegung zwischen der Werkzeug- und der Bearbeitungsachse im wesentlichen gleichzeitig zu steuern, damit eine vorbestimmte relative Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad erzeugt wird, so als ob das Werkstückzahnrad mit einem theoretischen Herstellungszahnrad, das sich um eine theoretische Herstellungszahnradrotationsachse dreht und Zahnoberflächen aufweist, die durch die materialabtragenden Oberflächen des Werkzeugs dargestellt werden, in Eingriff stünde, wobei die theoretische Herstellungszahnradachse hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung in bezug auf die Maschinenbasis im Laufe der vorbestimmten relativen Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad variiert,

wobei das Computersteuerungsmittel weiters die Rotation des Werkzeugs um die Werkzeugachse im wesentlichen gleichzeitig mit der Drehung des Werkstückzahnrads um die Werkstückzahnradachse steuert, wobei die Werkzeugrotation in einer im vorhinein festgelegten zeitlich abgestimmten Beziehung mit der Drehung des Werkstückzahnrads erfolgt; dadurch gekennzeichnet, daß das Computersteuerungsmittel ein Mittel zur weiteren Einstellung entweder der Drehung des Werkstückzahnrads oder der Rotation des Werkzeugs als Funktion der variierenden Winkelausrichtung der theoretischen Herstellungszahnradachse umfaßt, um die im vorhinein festgelegte zeitlich abgestimmte Beziehung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad im Laufe der vorbestimmten relativen Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad korrigierenden Modifikationen zu unterwerfen.

6. Maschine nach Anspruch 5, worin das Computersteuerungsmittel weiters ein Mittel zur Einstellung der Drehung des Werkstückzahnrads als Funktion der variierenden Winkelausrichtung der theoretischen Herstellungszahnradachse umfaßt, um die korrigierenden Modifikationen durchzuführen.

7. Verfahren zum Ausbilden in Längsrichtung gekrümmter Zahnzwischenräume in Kegel- und Hypoidzahnrädern unter Verwendung eines Werkzeugs mit materialabtragenden Oberflächen, umfassend die folgenden Schritte:

Montieren eines Werkzeugs (26) in einem Werkzeugsupport (12);

Montieren eines Werkstückzahnrads (42) in einem Werkstückzahnradsupport (14);

Rotieren des Werkzeugs um eine Achse (T), die durch das Werkzeug verläuft;

Drehen des Werkstückzahnrads um eine Achse (W), die durch den Werkstückzahnradsupport verläuft;

Durchführen relativer Translationsbewegung des Werkzeugsupports in bezug auf den Werkstücksupport entlang dreier zueinander orthogonaler Achsen (X, Y, Z) zur anfänglichen Positionierung des Werkstück- und des Werkzeugsupports (14, 12) geradlinig zueinander,

relatives Winkelschwenken des Werkstücks in bezug auf den Werkzeugsupport um eine Schwenkachse (P) zur anfänglichen Positionierung des Werkstück- und des Werkzeugsupports (14, 12) im Winkel zueinander;

Verwenden eines Computers, um die Drehung des Werkstückzahnrads (42), die geradlinige Bewegung zwischen dem Werkzeug- und dem Werkstücksupports und das Schwenken zwischen dem Werkzeug- und dem Werkstücksupport (12, 14) im wesentlichen gleichzeitig zu steuern, sodaß das Werkzeug operativ am Werkstückzahnrad angreift, um eine vorbestimmte relative Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad zu erzeugen, so als ob das Werkstückzahnrad mit einem theoretischen Herstellungszahnrad, das sich um eine theoretische Herstellungszahnradrotationsachse dreht und Zahnoberflächen aufweist, die durch die materialabtragenden Oberflächen des Werkzeugs dargestellt werden, in Eingriff stünde, wobei die Translationsbewegung, die Winkelbewegung und die Drehung des Werkstückzahnrads solcherart gesteuert werden, daß die Herstellungszahnradachse zur Werkzeugachse relativ geeignet ausgerichtet wird, und worin die theoretische Herstellungszahnradachse hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung in bezug auf die Maschinenbasis im Laufe der vorbestimmten relativen Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad variiert, dadurch gekennzeichnet, daß die im wesentlichen gleichzeitige Steuern weiters die Einstellung der Drehung des Werkstückzahnrads (42) als Funktion der variierenden Winkelausrichtung der theoretischen Herstellungszahnradachse umfaßt, sodaß die vorbestimmte relative Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug (26) und dem Werkstückzahnrad (42) korrigierenden Modifikationen unterworfen wird.

8. Verfahren zum Ausbilden in Längsrichtung gekrümmter Zahnzwischenräume in Kegel- und Hypoidzahnrädern durch ein kontinuierliches Verfahren unter Verwendung eines Werkzeugs mit materialabtragenden Oberflächen, umfassend die folgenden Schritte:

Montieren eines Werkzeugs (26) in einem Werkzeugsupport (12);

Montieren eines Werkstückzahnrads (42) in einem Werkstückzahnradsupport (14);

Rotieren des Werkzeugs um eine Achse (T), die durch das Werkzeug verläuft;

relatives Winkelschwenken des Werkstücksupports in bezug auf den Werkzeugsupport um eine Schwenkachse (P) zur anfänglichen Positionierung des Werkstück- und des Werkzeugsupports (14, 12) im Winkel zueinander;

Verwenden eines Computers, um die Drehung des Werkstückzahnrads, die Translationsbewegung zwischen dem Werkzeug- und dem Werkstücksupport und das Schwenken zwischen dem Werkzeug- und dem Werkstücksupport im wesentlichen gleichzeitig zu steuern, um eine vorbestimmte relative Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad zu erzeugen, so als ob das Werkstückzahnrad mit einem theoretischen Herstellungszahnrad, das sich um eine theoretische Herstellungszahnradrotationsachse dreht und Zahnoberflächen aufweist, die durch die materialabtragenden Oberflächen des Werkzeugs dargestellt werden, in Eingriff stünde, wobei die Translationsbewegung, die Winkelbewegung und die Drehung des Werkstückzahnrads solcherart gesteuert werden, daß die Herstellungszahnradachse zur Werkzeugachse relativ geneigt ausgerichtet wird, und worin die theoretische Herstellungszahnradachse hinsichtlich ihrer Winkelausrichtung in bezug auf die Maschinenbasis im Laufe der vorbestimmten relativen Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad variiert,

im wesentlichen gleichzeitiges Steuern der Rotation des Werkzeugs um die Werkzeugachse mit der Drehung des Werkstückzahnrads um die Werkstückzahnradachse, wobei die Werkzeugdrehung in einer im vorhinein festgelegten zeitlich abgestimmten Beziehung mit der Drehung des Werkstückzahnrads erfolgt; gekennzeichnet durch die Einstellung entweder der Drehung des Werkstückzahnrads oder der Rotation des Werkzeugs als Funktion der variierenden Winkelausrichtung der theoretischen Herstellungszahnradachse, sodaß die im vorhinein festgelegte zeitlich abgestimmte Beziehung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückzahnrad im Laufe der vorbestimmten relativen Abwälzbewegung zwischen dem Werkzeug (26) und dem Werkstückzahnrad (42) korrigierenden Modifikationen unterworfen wird.