在齿轮制造机器上装载和定位工件的方法和设备
阅读说明：本技术 在齿轮制造机器上装载和定位工件的方法和设备 (Method and apparatus for loading and positioning workpieces on a gear manufacturing machine ) 是由 C·R·罗纳德 U·盖瑟 D·J·施瓦布 M·J·麦克纳尔 B·L·帕特森 K·H·布莱克 于 2019-09-05 设计创作，主要内容包括：一种方法,其中将第一工件(2、40)装载到工件加工机器的心轴(30)上,其中第一带齿工件具有预定设计并且处于预定旋转装载位置。将第一带齿工件进行坯料分配,并基于坯料分配确定机加工位置。将第一带齿工件旋转地调节到机加工位置。然后机加工第一带齿工件的齿(3、42),并从心轴上取下第一工件。将第二带齿工件装载到工件加工机器的心轴上。第二带齿工件具有与第一带齿工件相同的预定设计并且处于相同的预定旋转装载位置。将第二带齿工件从预定旋转装载位置旋转地调节到机加工位置,其调节量与第一带齿工件相同。机加工第二带齿工件,然后从机器心轴上取下。可以针对具有与第一和第二工件相同的设计并且处于相同的旋转装载位置的后续工件重复针对第二带齿工件执行的过程。对于第二和后续的带齿工件,不执行确定齿的旋转位置的步骤。(A method in which a first workpiece (2, 40) is loaded onto a spindle (30) of a workpiece processing machine, wherein the first toothed workpiece has a predetermined design and is in a predetermined rotational loading position. The first toothed workpiece is subjected to a blank allocation and a machining position is determined based on the blank allocation. The first toothed workpiece is rotationally adjusted to a machining position. The teeth (3, 42) of the first toothed workpiece are then machined and the first workpiece is removed from the mandrel. A second toothed workpiece is loaded onto a spindle of a workpiece processing machine. The second toothed workpiece has the same predetermined design and is in the same predetermined rotational loading position as the first toothed workpiece. The second toothed workpiece is rotationally adjusted from the predetermined rotational loading position to the machining position by the same amount as the first toothed workpiece. The second toothed workpiece is machined and then removed from the machine spindle. The process performed for the second toothed workpiece may be repeated for subsequent workpieces having the same design as the first and second workpieces and in the same rotational loading position. The step of determining the rotational position of the teeth is not performed for second and subsequent toothed workpieces.)
技术领域
本发明涉及齿轮制造机器和方法，并且特别涉及将工件装载到齿轮制造机器上，随后进行机器上的坯料分配步骤。
背景技术
在带齿制品的生产中，特别是齿轮状工件，例如锥齿轮(例如小齿轮和环形齿轮)和圆柱齿轮(例如正齿轮和斜齿轮)的生产中，通常在齿的初始粗成形(例如切割、锻造、铸造等)之后进行一个或多个精加工操作。这样的精加工操作包括但不限于磨削、珩磨、抛光、刮削和精切割(例如硬刮、动力刮等)。
在进行任何精加工操作之前，必须对齿轮状的工件进行适当的“坯料分配(stock-divided)”(也称为定心、对准或定相)，这意味着必须对部分精加工的齿轮(例如，粗成形齿轮)的齿相对于工具进行适当定位，然后才开始精加工操作。坯料分配确保工具以某种方式进入齿槽(即，相邻齿之间的空间)，从而不会发生工具与工件的碰撞或损坏，并且工具将正确地接触工件齿的侧面并使其成形。
在锥齿轮的磨削中，例如，在将工件(例如，小齿轮或环形齿轮)装载到计算机控制的(例如，CNC)齿轮磨削机器(例如，在如US 6,712,566中公开的机器)的工件心轴上之后，必须在开始磨削之前对每个工件执行坯料分配操作。典型的坯料分配过程可包括接触多个间隔开的齿槽(例如三个或更多个)的相邻齿表面，以便定位齿之间的槽的平均中心线位置，然后旋转地(即角度地)调节工件，以便相对于磨削轮的机加工位置正确地定位齿和齿槽，从而使磨削轮可以无意外地进入每个齿槽。坯料分配过程本身是技术人员众所周知的，并且其细节的进一步讨论对于理解本发明是不必要的。
尽管必须将带齿的工件相对于诸如磨削轮之类的工具适当地定位，但是坯料分配过程可能是耗时的。通常，坯料分配可能花费15到20秒或更长时间，这意味着由于没有实际的机加工发生，因此机器(例如磨削机器)实际上处于闲置状态。仍然需要减少或消除归因于坯料分配的非生产时间。结果，机加工周期时间将缩短并且给定时间段内生产的机加工零件数量将增加。
发明内容
本发明涉及一种机加工可旋转的带齿工件(例如齿轮)的方法，所述带齿工件包括多个齿和多个齿槽。
该方法包括将第一工件装载到工件加工机器的心轴上，其中第一带齿工件具有预定设计并且处于预定旋转装载位置。将第一带齿工件进行坯料分配，并基于坯料分配确定机加工位置。将第一带齿工件旋转地调节到机加工位置。然后机加工第一带齿工件的齿，并从心轴上取下第一工件。
将第二带齿工件装载到工件加工机器的心轴上。第二带齿工件具有与第一带齿工件相同的预定设计并且处于相同的预定旋转装载位置。将第二带齿工件从预定旋转装载位置旋转地调节到机加工位置，其调节量与第一带齿工件相同。机加工第二带齿工件，然后从机器心轴上取下。
可以针对具有与第一和第二工件相同的设计并且处于相同的旋转装载位置的后续工件重复针对第二带齿工件执行的过程。对于第二和后续的带齿工件，不执行确定齿的旋转位置的步骤。
附图说明
图1示出了位于传送装置的托板上方的锥齿轮的侧视图。
图2示出了位于传送装置的托板上的锥齿轮的侧视图。
图3示出了位于传送装置的托板上的锥齿轮的等距视图。
图4示出了位于传送装置的托板上的锥齿轮的正视图。
图5示出了夹持装置的等距视图，该夹持装置具有带有多个销和球元件的适配器板。
图6示出了图5的夹持装置的侧视图。
图7示出了图5的夹持装置的端视图。
图8示出了图5的夹持装置的另一侧视图，其中夹持指状部被移除以增强清晰。
图9示出了锥齿轮的侧视图，该锥齿轮定位在传送装置的托板上并且对准以与图8的夹持装置接合。
图10示出了图8的夹持装置的侧视图，该夹持装置与定位在图9的传送装置的托板上的锥齿轮接合。
图11是锥齿轮的正视图，示出了夹持装置的接触球元件的布置。
图12是锥齿轮的侧视图，示出了夹持装置的接触球元件的布置。
图13是锥齿轮的等距视图，示出了夹持装置的接触球元件的布置。
图14示出了由夹持装置夹持并被插入到加工机器的心轴中的锥齿轮的侧视图。
图15示出了图14的元件，其中夹持装置与锥齿轮脱离。
图16示出了位于传送装置的托板上的锥环形齿轮的侧视图。
图17示出了位于传送装置的托板上的锥环形齿轮的俯视图。
图18是位于传送装置的托板上方的锥环形齿轮的等距视图。
图19示出了与夹持装置的适配器板的接触球接合的锥环形齿轮的等距视图。
图20示出了与夹持装置的适配器板的接触球接合的锥环形齿轮的侧视图。
图21示出了位于适配器板上方并且与夹持装置的接触球接触的锥环形齿轮。
图22示出了夹持装置的等距视图，该夹持装置被对准以与锥环形齿轮接合。
图23示出了与锥环形齿轮接合的夹持装置的等距视图。
图24是旋转双夹持器系统的等距视图。
具体实施方式
本说明书中使用的术语“发明”、“所述发明”和“本发明”旨在广泛地指代本说明书的所有主题以及以下任何专利权利要求。含有这些术语的陈述不应被理解为限制本文所述的主题或限制以下任何专利权利要求的含义或范围。此外，本说明书不寻求描述或限制由任何权利要求所涵盖的主题于本申请的任何特定部分、段落、陈述或附图中。应该通过参考整个说明书、所有附图和所附的任何权利要求理解主题。本发明能使用其它构造，并且能以各种方式实践或实施。另外，应理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的而不应视为限制。
现在将参考附图讨论本发明的细节，所述附图仅以实例的方式说明本发明。在附图中，相似的特征或组件将由类似的附图标记指代。为了更好地理解本发明和易于观察，从附图中省略了门和任何内部或外部防护。
本文中“包括”、“具有”和“包含”以及其变体的使用意指涵盖其后所列出的项目以及其等效物以及附加项目。使用字母来标识方法或过程的元素仅仅是用于识别，并不意味着表示元素应该以特定顺序执行。
尽管下面在描述附图时可以参考诸如上、下、上、下、后、底、顶、前、后等的方向，但是这些参考是相对于附图进行的(通常所观察的)为方便起见。这些方向并不旨在被视为字面意思或以任何形式限制本发明。
本发明提供一种方法和设备，由此消除了将装载到加工机器上的每个带齿工件进行坯料分配的需要。
图1-4示出了优选实施例，其中工件2，例如具有多个齿3和轴5的锥齿轮，位于托板8的支架4、6上。托板8可以是独立的固定装置，或者可以与其他这样的托板一起位于传送机机构上，用于将工件运送到具有相关联的装载/卸载设备的机器上以及从该机器上运送工件。在所示的实例中，示出托板8定位在作为工件传送机系统(未示出)的部件的托板引导件9上。托板8或其多个也可以驻留在例如柔性自动化单元(未示出)内，例如，可从纽约罗切斯特的格里森工厂(Gleason Works)购得的AR系列自动化和物料处理单元。具有或不具有传送机的柔性自动化单元优选地位于加工机器附近，例如用于齿轮，特别是锥齿轮的磨削机器。柔性自动化单元可以包括提供一种或多种特征的工位，所述特征例如零件清洗、零件剥离、去毛刺、检查、零件标记、辊压测试和3D测量，连同用于从一个工位到另一工位转移工件以及转移工件到加工机器(例如机器人、龙门装载机等)和从加工机器转移工件的适当装置。
托板8还包括定位元件10，该定位元件包括定位销和球布置，当将工件2放置在托板8上时，定位球11具有合适的直径，以便可插入工件的齿槽14中(图4)并且与相邻齿侧面接触，从而将工件定位在固定的旋转方向上。工件2可以手动地或通过诸如机器人的装载机构放置在托板8上。优选地，球11在从工件的前表面12向内的位置处接触齿槽14(图2)。定位元件10的球11优选地由诸如硬化钢或碳化物的硬质材料制成。如果需要，在工件的重量不均匀分布的情况下，例如在轴5的一端具有大部分自重的锥齿轮2，可以在托板8上包括配重13。
取决于工件例如锥齿轮2的特定设计，可以确定齿槽的位置，因此，根据工件2在定位元件10上的固定位置，也可以确定每个齿槽14的位置。
图5-8显示了夹持机构，用于夹持位于托板8上的工件并将工件输送到工件加工机器的心轴上。优选地，夹持机构包括具有多个钳口22(例如三个或四个)的卡盘20；可移除的夹持器指状件23，其根据工件的构造适当地成形；以及多个定位元件，其优选地包括销21和接触球元件24。销和球元件24在适配器板26上间隔开地布置，该适配器板例如通过螺栓或螺钉27可移除地附接到卡盘20的前表面28。销和球元件24以一种方式布置和间隔在适配器板26上，以便与在定位在托板8上的特定工件2上的齿槽14的位置重合。销21和球元件24优选地由诸如硬化钢或碳化物的硬质材料制成。优选地，销21和球元件24包括一件式元件，其可释放地附接到适配器板26。然而，销21和球元件24可以是可释放地彼此附接的单独的元件，并且可以相对于彼此单独地更换或交换。
如提及的，工件2被固定在托板8上的已知的(即能够被确定的)旋转位置中，并且由于齿轮设计者、工程师和/或制造商将知道特定工件的齿数设计和几何形状，因此齿槽14的位置也是已知的(即能够被确定)。基于工件设计，销和球元件24具有适当的尺寸(即直径)并围绕适配器板26布置和间隔开。在通过卡盘20的钳口22夹持工件2时，销和球元件24与某些齿槽14重合并且与相应的齿侧面和/或每个接触的齿槽14的靠近工件的前表面12的齿边缘接触，从而产生了被夹持的工件，该工件在从托板8移出时保持与托板8上存在的方向相同的方向。图8-10示出了在夹持之前与工件2对准的卡盘20。示出了图8和图10具有夹持指状件，其仅为了提供较小遮挡的视野而被去掉。应当理解，卡盘20和托板8之一或两者可能需要相对于彼此在一个或多个方向上移动，以便适当地对准卡盘20和工件2以进行夹持。适当的相对运动可以通过诸如机器人之类的装置或沿着或围绕由例如伺服电动机或线性电动机驱动的一个或多个机器运动轴线来实现。图10示出了在从托板8移除工件2之前，卡盘20与工件2接合并夹持工件。应当注意，球11和相应的齿槽14之间的接触位置优选地远离工件的前表面12足够远，以便不干扰可能与球11位于同一齿槽中的球24。参见图10。
优选地，卡盘适配器板26包括至少三个，更优选地五个或更多个的销和球元件24(在图5-7中示出了五个)。还优选的是，销和球元件24间隔开并定位，从而在夹持期间它们进入围绕工件间隔开的齿槽14(见图11-13)，以努力使销和球元件24与工件2之间的接触更均匀地分布。尽管示出了销和球元件24与工件旋转轴线A(图12)大致对准，但是本发明不限于此。销和球元件24可基于特定的工件和/或夹持机构设计根据需要定向。
一旦工件2被卡盘22夹持，就将其从托板8上取下并转移到诸如锥齿轮磨削机器的工件加工机器的心轴上。图14示出了被夹持的工件2，其被装载到加工机器(例如磨削机器，未示出)的心轴30中。心轴30包括合适的工件保持设备32，如本领域技术人员将理解的并且不需要进一步的解释。图15示出了从工件2脱离的卡盘20，该工件被固定在心轴30中，以用于例如通过磨削的进一步加工。
工件2从托板8到机器心轴30的转移在没有可识别的工件角运动(即旋转运动)的情况下发生，由此被卡盘20夹持的工件齿的角位置(即旋转位置)与传送到心轴30的角度位置相同。由于相同设计的第一工件和所有后续工件在夹持之前首先由球11定向，因此相同的工件定向将始终如一地呈现给卡盘20。如果期望，可以在加工机器上包括传感器，以便在每次将工件传送并装载到机器心轴时验证夹持机构的位置是相同的。
因此可以看出，对于相同设计的所有工件，每个工件将以相同的角度取向呈现并装载到加工机器的心轴上。换句话说，传送到并由加工机器的心轴固定的每个工件的齿以及因此齿槽将处于相同的角位置。
通过使相同设计的每个工件以相同的角度取向装载到加工机器上，不再需要在机加工之前将每个工件进行坯料分配。在第一工件被装载和坯料分配并且通过坯料分配过程确定了角度调整(如果有)之后，可以装载相同设计的第二及后续工件并按与第一工件(即初始)坯料分配操作确定的相同的量进行角度调整，而无需对该特定零件进行坯料分配。通过消除坯料分配，由于消除了坯料分配而节省了时间，因此机加工过程(例如磨削)的生产率可提高高达25％的量。
还应注意，在机加工之后，如果希望将工件2返回到例如如图1所示构造的托板8，则应将工件在角度上重新定位到传送时的取向以被卡盘20接合，然后转移并传送到托板8。当然，如果进一步的加工和/或传送不依赖于特定的角度取向，则可以通过任何合适的方式从心轴30上卸下工件2。
图16-23示出了关于具有多个齿42和齿槽44的锥环形齿轮40的本发明的另一实例。托板8构造成包括内部盘52和定向销54(图17、18)，用于使环形齿轮40在托板8上成角度地定向。如果需要，托板8可以包括可释放的工具板50，内部盘52和定向销54附接在该工具板上。当然，例如图1的托板8还可以包括可释放的基板，在其上至少附接有支架4、6和定位元件10。可以包括诸如手动可伸缩柱塞56之类的装置，用于将工具板50从托板8释放并将工具板50锁定到托板8。
图22示出了在夹持之前与锥环形齿轮工件40对准的卡盘20。优选地，卡盘20包括多个钳口22(例如三个或四个)；可移除的夹持器指状件25，其可根据工件的构造而适当地成形；以及多个销和球元件62。销和球元件24在适配器板60上间隔开地布置，该适配器板例如通过螺栓或螺钉27可移除地附接到卡盘20的前表面28。销和球元件62以一种方式布置和间隔在适配器板60上，以便与在定位在托板8上的特定工件40上的齿槽44的位置重合(图16)。
如先前相对于锥齿轮所讨论的，应该理解，定位在托板8(图16)上的卡盘20和工件40中的一个或两个都可能需要相对于彼此在一个或多个方向上移动，以便适当地对准卡盘20和工件40以进行夹持。适当的相对运动可以通过例如机器人或沿着或围绕一个或多个机器运动轴线来实现。图23示出了与工件40接合并夹持该工件的卡盘20。
优选地，卡盘适配器板60(图19)包括至少三个，更优选地五个或更多个销和球元件62(在图20-22中示出了五个)。还优选的是，销和球元件62间隔开并定位，从而在夹持期间它们进入围绕工件间隔开的齿槽44，以努力使销和球元件62与工件40之间的接触更均匀地分布。尽管示出了销和球元件62与工件旋转轴线B(图16)大致对准，但是本发明不限于此。销和球元件62可基于特定的工件和/或夹持机构设计根据需要定向。
工件40从托板8到机器心轴的转移(使用合适的工件固定设备，例如刀杆)在没有可识别的工件角运动(即旋转运动)的情况下发生，由此被卡盘20夹持的工件齿的角位置(即旋转位置)与传送到机器心轴的角度位置相同。由于第一工件40和相同设计的所有后续工件在卡住之前首先由定向销54定向，因此相同的工件定向将始终如一地呈现给卡盘20。因此可以看出，对于相同设计的所有工件40，每个工件将以相同的角度取向呈现并装载到加工机器的心轴上。换句话说，传送到并由加工机器的心轴固定的每个工件40的齿以及因此齿槽将处于相同的角位置。
通过使相同设计的每个锥环形齿轮以相同的角度取向装载到加工机器上，不再需要在机加工之前将每个工件进行坯料分配。在第一工件被装载和坯料分配并且通过坯料分配过程确定了角度调整(如果有)之后，可以装载相同设计的第二及后续工件并按与第一工件(即初始)坯料分配操作确定的相同的量进行角度调整，而无需对该特定零件进行坯料分配。
卡盘20可以是双夹持器系统的一个工件保持部件，其中双夹持器(例如，两个卡盘)以可以绕轴线旋转的背对背构造线性布置。例如，这种布置使得能够将机加工过的工件从加工机器卸载到第一空卡盘，随后将卡盘机构旋转180度并将先前被第二卡盘夹持的未完成工件装载到加工机器。双卡盘机构可以附接到机器人或线性可移动梁的臂的端部(即，臂端工具或EOAT)。一个或两个卡盘可以装配有带有例如图5-7所示的球元件24的适配器板26。
图24示出了包括卡盘20和29的旋转双夹持器系统68的一个实例，其中卡盘20包括具有诸如图5-7所示的球元件24的适配器板26。卡盘29可以具有与卡盘20类似的构造，但是也可以构造成没有球元件24，甚至没有适配器板26。卡盘20、29附接到头部70，头部又可旋转地附接到可平移梁72的一端(以剖视图示出)。梁72能够在垂直方向X和/或Z中的一个或两个上线性运动。头部70连同卡盘20和29能够绕轴线Z旋转(方向S)。头部70的旋转通过可旋转的轴74和合适的轴承76进行。轴74由诸如皮带和皮带轮(未示出)驱动。卡盘20和29优选地旋转180度并通过锁定销78锁定就位，并从其释放，该锁定销可以由合适的致动机构80(例如，电动、液压、空气、气动等)推进和抽出。双夹持器系统68可以是独立的装卸设备的一部分，或是柔性自动化系统的一部分。
优选地，将工件从托板8转移到机器心轴30的运动例如发生在同一平面内，例如由图24的方向X和Z定义的水平面。在这种情况下，托板8和/或机床心轴30中的一个或两个被升高或降低(例如，Y方向的运动)，使得卡盘20相对于工件的向内运动(X方向)以从托板8上移出工件、卡盘20从托板8到机器心轴30的行进路径(Z方向)、以及卡盘20相对于机器心轴30的向内运动(X方向)以将工件装载到加工机器上都在同一平面(X-Z平面)，优选地水平面上发生。
虽然已参考优选实施例描述本发明，但应理解，本发明并不限于其细节。本发明旨在包含对于主题所属领域的技术人员来说显而易见的修改，而不偏离所附权利要求书的精神和范围。
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