Closed Loop - jetzt auch für Stirnräder

Die Erfindung von Leonhard Euler aus dem Jahr 1760, Stirnradverzahnungen mit evolventischen Profil zu konstruieren, war der Beginn einer Erfolgsstory. Die Evolvente hat als Zahnprofil zahlreiche Vorteile, die Konstrukteure bis heute nutzen, um leistungsfähige Getriebe auszulegen, die selbst bei hohen Lasten und entsprechenden Verformungen des Welle-Lagersystems funktionieren.

Die Konvention Stirnradverzahnungen mit evolventischen Profil auszuführen stellt allerdings auch ein Hindernis für innovative Lösungen dar. Bei der spanenden Fertigung von allgemeinen Bauteilen ist ein CAD-CAM Prozess seit vielen Jahren Stand der Technik. Das Werkstück wird als 3D-Modell beschrieben und erst in dem nachfolgenden CAM Prozess werden Werkzeuge ausgewählt und NC-Dateien erzeugt, welche auf der Bearbeitungsmaschine das digital beschriebene Werkstück real herstellt. Dieses Prinzip ist bei Verzahnmaschinen nicht anwendbar, weil das Zahnrad nicht als 3D Modell beschrieben wird.

Bild 1: Leonhard Euler – Erfinder der Evolventenverzahnung

Basierend auf der von Euler für Zahnradgetriebe vorgeschlagenen Theorie von Evolventen und anderen Kurven wird ein Zahnrad immer durch die Geometrie der Werkzeugschneide und durch eine Relativbewegung zwischen diesem Werkzeug und dem herzustellenden Zahnrad beschrieben. Auch wenn es mittlerweile 5-achsige Bearbeitungsprinzipien gibt, mit denen Zahnräder hergestellt werden können, ist diese spezielle Zahnradbeschreibung stets die Grundlage und damit die Ursache für die Besonderheit der Spezies Verzahnmaschine.

Stirnräder fertigen heißt vom Kegelradverzahnen lernen

Die Geometrie von Kegelradverzahnungen basiert nicht auf der Evolvente, sondern auf der Oktoide. Eine eindeutige Beschreibung der Flankenform erfordert eine Beschreibung der Zahnradgeometrie basierend auf dem Werkzeugprofil und der Herstellkinematik. Klingelnberg hat daher bereits seit Anfang der 1990er Jahre den Kerngedanken von Industrie 4.0 auf die Kegelradfertigung angewandt und ein Cyber-Physisches System geschaffen, welches entlang der gesamten Wertschöpfungskette digitale Abbilder des Zahnrades beisteuert und dadurch die Einführung objektiver Quality Gates ermöglicht. 

Bild 2: Wertschöpfungskette eines Kegelradsatzes

Dieses Bild zeigt die Wertschöpfungskette eines Kegelradsatzes. Sie beginnt mit dem Engineering der Verzahnung, zu dem auch die Werkstoffspezifikation gehört. Zu Beginn wird die Verzahnung optimiert, um die geforderte Spezifikation in einem gegebenen Umfeld durch Lager, Getriebegehäuse und Betriebsbedingungen zu erfüllen. Im Ergebnis entsteht ein digitaler Zwilling des Kegelrades, der nicht nur alle seine geometrischen Informationen enthält: wegen der Besonderheit der Beschreibung eines Kegelrades liegen auch alle Informationen zum Werkzeug sowie die Beschreibung der Herstellbewegung einer virtuellen Verzahnmaschine sowohl für die Weich- als auch für die Hartbearbeitung vor. Diese Daten kommen automatisch aus dem Klingelnberg-Programmsystem KIMoS und bilden das digitale Rückgrat aller Fertigungsschritte. So wurde eine horizontale Integration aller am Prozess beteiligen Maschinen und Programmsysteme realisiert, bei der die zentrale Datenbank die digitalen Abbilder und geometriebestimmenden technologischen Parameter für jeden Schritt der Herstellung enthält.

Im Gegensatz zur Kegelradfertigung, dass auf einem Datenbanksystem basiert, ist das Papier in der Stirnradfertigung der dominierende Datenträger. Die einfache und vermeintlich eindeutige Beschreibung führt dazu, dass die Verzahnungsdaten bis heute mehrfach manuell in Verzahnungsmaschinen und Messgeräte eingegeben werden. Die vielen Hersteller von Verzahnmaschinen und Messgeräten haben sich bisher nicht auf Schnittstellen zum Datenaustausch einigen können.

Die vermeintlich einfache Beschreibung der Evolventenverzahnung führt zu einer trügerischen Sicherheit. Schließlich unterlaufen bei der manuellen Datenübertragung Fehler. Nicht zuletzt weil sich die Standards nach DIN, VDI oder ISO in wesentlichen Punkten unterscheiden können. Ein Beispiel stellt das Vorzeichen der Flankenlinienwinkelabweichung f dar, die gegensinnige Vorzeichen aufweisen kann. Der Betrag der jeweiligen Kennwerte hängt auch von der zu Grunde liegenden Auswertestrecke ab, so dass ein Kennwert nur unter Angabe der Auswertestrecke und der angewendeten Richtlinie eindeutig ist. Missverständnisse und Fehleingaben sind aufgrund der Heterogenität häufig. Viele Anwender entgegnen diesen Fehlern in dem Sie firmenintern zusätzliche Konventionen festlegen. Der Fehleranfälligkeit der antiquierten Datenübertragung vom Papier mit zusätzlichen Prozessen zu begegnen verkompliziert die Übertragung der Messergebnisse auf Verzahnmaschinen unnötig.

Der KLINGELNBERG Closed Loop für Stirnräder

Klingelnberg nach Vorbild des für Kegelräder existierenden Closed-Loop einen Closed-Loop für Stirnräder entwickelt. Ziel war es, eine robuste und fehlerunanfällige Übertragung der auf einem Klingelnberg Messgerät ermittelten Verzahnungsabweichungen auf Produktionsmaschinen zu realisieren.

Dazu war es erforderlich die Information des Messblatts eindeutig zu beschreiben und über eine allgemeine und offene Schnittstelle zu übertragen. Der Closed-Loop für Stirnräder verwendet das Gear Data Exchange (GDE) Format. Dieses in der VDI/VDE Richtlinie 2610 definierte Format wurde gewählt, um eine die Übertragung von Messergebnissen an Verzahnmaschinen aller Hersteller zu gewährleisten. Das Messblatt wird im *.xml Format im Produktionsnetzwerk eingebunden.

Der Messvorgang erfolgt wie im nachfolgenden Bild dargestellt. Das auf einer Verzahnmaschine gefertigte Bauteil wird auf einer Klingelnberg Messmaschine vermessen. Nach der Messung wird das digitale Messblatt auf dem Server abgelegt. Von dort erfolgt die Übertragung an die Verzahnmaschine, die über eine entsprechende Importfunktion verfügen muss. 

Bild 3: Closed Loop 1.0

Die Klingelnberg Maschinensoftware GearPro hat bereits die Funktionalität, das digitale Messblatt einzulesen. Bei der praktischen Umsetzung des Closed-Loop für Stirnräder ergeben sich einige Punkte, die zusätzlich zu den bereits bemerkten Punkten berücksichtigt werden müssen. In vielen Fällen haben Kunden mehrere Messgeräte und mehrere Verzahnungsmaschinen. Es ist somit erforderlich zu kennzeichnen welches digitale Messblatt welchem Prozess und welcher Maschine zugeordnet werden muss. Vor der Messung erfolgt die Zuordnung der Messaufgabe zu einem Fertigungsauftrag durch Eingabe der Auftrags- und Seriennummer. Diese Information wurde bisweilen auch für die Bezeichnung des Messblatts eingegeben und wird im digitalen Messblatt, sowie im Dateinamen abgespeichert.

Bild 4: Produktionsnetzwerk mit mehreren Verzahnmaschinen und Messgeräten

Dadurch erkennt die in Produktion befindliche Verzahnmaschine zugehörige Messergebnisse. Das System meldet dem Bediener aktiv, dass neue Messergebnisse für den aktuellen Fertigungsauftrag vorliegen. Während der Produktion kann der Maschinenbediener anhand einer Grafik erkennen welche Kennwerte der Verzahnung korrigiert werden sollten. Hierzu werden die Kennwerte in der Maschinensteuertafel im Toleranzfeld angezeigt und farblich bewertet. Die Berechnung einer neuen Maschineneinstellung erfolgt auf Knopfdruck beim nächsten Bauteilwechsel.

Der erste Schritt zur Einführung eines digitalen Produktionssystems für Stirnräder getan. Die fehleranfällige Datenübertragung vom Messblatt wurde durch den Closed-Loop abgestellt.

Bild 5: Profilwinkel und Zahnweitenkorrektur in GearPro

Die aktuelle Version kann für Außen- und Innenverzahnungen genutzt werden. Das System unterscheidet auch bei gegenüber der Aufspannung in der Maschine gestürzter Messung und übermittelt die Messergebnisse kontextbezogen. Damit ist aber erst der Anfang gemacht. Die größeren Herausforderungen existieren bei der Herstellung von nicht evolventischen Verzahnungen oder bei der Herstellung topologischer Modifikationen. Der Klingelnberg Closed Loop für Stirnräder steht damit erst am Anfang einer Entwicklung zu einem Produktionssystem gemäß Industrie 4.0.

Autor des Artikels

Dr.-Ing. Markus Brumm, Produktlinienleiter Stirnrad, Director Cylindrical Gear Division

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