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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung
und ein Schwingungsunterdrückungsverfahren zur Unterdrückung
von Schwingungen, die während der Bearbeitung in einer
Werkzeugmaschine, die die Bearbeitung durchführt, indem
ein Werkzeug oder Werkstück rotiert, erzeugt werden.
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Es
sind Werkzeugmaschinen bekannt, in denen zum Beispiel ein Werkstück
durch eine drehbare Hauptspindel gelagert wird und, indem ein Werkzeug zu
dem Werkstück zugeführt wird, bearbeitet wird. Jedoch
wird in einer konventionellen Maschine, wenn die Schnittiefe bei
der Schneidbearbeitung größer als notwendig eingestellt
wird, eine so genannte "Ratterschwingung" während der Bearbeitung
erzeugt, was in einer Verschlechterung der Endbearbeitungsgenauigkeit
einer bearbeiteten Oberfläche resultiert. Insbesondere
wird eine während der Bearbeitung erzeugte "Ratterschwingung
vom regenerativen Typ", die eine selbsterregte Schwingung ist, erzeugt.
Um die "Ratterschwingung vom regenerativen Typ" zu unterdrücken,
ist es, wie in den Patentdokumenten 1 und 2 beschrieben, bekannt,
eine Drehzahl, die gleich einem Wert ist, der aus einer Eigenfrequenz
eines Systems wie einem Werkzeug oder einem Werkstück in
dem die "Ratterschwingungen" erzeugt wird, oder einer Frequenz der
"Ratterschwingungen" während der Bearbeitung, abgeleitet
wird, zu benutzen; die Eigenfrequenz oder die Ratterfrequenz mit
60 zu multiplizieren; und die multiplizierte Frequenz durch die
Anzahl der Werkzeugschneiden und eine vorbestimmte ganze Zahl zu
dividieren. Auf die Drehzahl, berechnet auf Basis der obigen Methode,
wird sich nachstehend als eine stabile Drehzahl bezogen.
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Um
die Eigenfrequenz des Systems, in dem die "Ratterschwingung" erzeugt
wird, zu erhalten, ist eine Methode wie in Patentdokument 1 beschrieben bekannt,
in der zum Beispiel die "Eigenfrequenz" durch das Anlegen einer
Impulsanregung an das Werkzeug oder das Werkstück und das
Messen einer Frequenz erhalten wird. Weiterhin wird, wie in Patentdokument
2 beschrieben, um die Ratterfrequenz während der Bearbeitung
zu erhalten, zum Beispiel ein Geräuschaufnehmer in der
Nähe des rotierenden Werkzeugs oder Werkstücks
angeordnet, und der Aufnehmer erfasst eine Schwingungsfrequenz während
der Bearbeitung, um die "Ratterfrequenz" zu erhalten.
- [Patentdokument
1] Japanische ungeprüfte
Patentveröffentlichung Nr. 2003-340627
- [Patentdokument 2] japanische Übersetzung
der PCT Nr. 2001-517557
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Jedoch
ist eine teuere Impulsvorrichtung erforderlich, um die "Eigenfrequenz"
auf der Basis einer Methode, wie in dem obigen Patentdokument 1
beschrieben, zu erhalten, so dass die Kosten hoch sein werden. Weiterhin
ist eine Anregungsmethode, wie im Patentdokument 1 beschrieben,
wenig praktikabel, obwohl sie eine fortschrittliche Technik erfordert, da
zum Beispiel eine "Eigenfrequenz", die vor der Bearbeitung gemessen
wird, und eine "Eigenfrequenz", die während der Bearbeitung
gemessen wird, nicht immer miteinander übereinstimmen und
daher es nicht einfach ist, eine optimale Drehzahl genau zu erhalten.
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Andererseits
wird in einer Methode des obigen Patentdokuments 2 ein durch den
Geräuschaufnehmer erfasstes Geräusch der Rotation
oder dergleichen analysiert, um zu versuchen die "Ratterfrequenz"
zu erhalten. Jedoch gibt es einen Unterschied zwischen der "Ratterfrequenz",
auf der Basis der Analyse des Rotationsgeräusches oder
dergleichen berechnet, und der bei der optimalen Drehzahl. Ein Ergebnis
ist, dass es genauso schwierig ist wie bei der Methode des obigen
Patentdokuments 1, die optimale Drehzahl genau zu erhalten. Anders
ausgedrückt werden, wenn die "Ratterfrequenz" auf Basis des
Rotationsgeräusches oder dergleichen berechnet wird, Bearbeitung
und Messungen anschließend einige Male durchgeführt
und dann die "Ratterfrequenz" nach der Erfassung der Schwingungsfrequenz,
bezogen auf die "Ratterschwingung", asymptotisch erhalten. Aus diesem
Grund ist eine lange Zeitspanne von der Erfassung der "Ratterschwingung"
bis zur Berechnung der optimalen Drehzahl erforderlich, was Spuren
aufgrund der Ratterschwingung auf einer bearbeiteten Oberfläche
ergibt.
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Aus
diesem Grund ist die vorliegende Erfindung eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung und
ein Schwingungsunterdrückungsverfahren, die in der Lage
sind, eine genaue optimale Drehzahl zu erhalten und eine Zeitspanne
von der Erzeugung der Ratterschwingungen bis zur Berechnung der
optimalen Drehzahl zu verkürzen.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Um
die obige Aufgabe zu erfüllen, ist ein erster Aspekt der
vorliegenden Erfindung eine Schwingungsunterdrückungsvorrichtung,
um die Ratterschwingungen, die über die Rotation einer
in einer Werkzeugmaschine zur Rotation eines Werkzeugs oder eines
Werkstücks vorhandenen drehbaren Welle erzeugt werden,
zu unterdrücken, die durch das Folgende gekennzeichnet
ist: Erfassungsmittel, um die zeitbereichsweise Schwingung aufgrund
der rotierenden drehbaren Welle zu erfassen; Berechnungsmittel,
um eine Ratterfrequenz und frequenzbereichsweise Schwingung bei
der Ratterfrequenz auf Basis der zeitbereichsweisen Schwingung,
erfasst durch die Erfassungsmittel, zu berechnen und eine optimale
Drehzahl der drehbaren Welle, auf Basis eines vorbestimmten Parameters über
die berechnete frequenzbereichsweise Schwingung, die einen vorbestimmten
Grenzwert überschreitet, zu berechnen, wobei die optimale
Drehzahl in der Lage ist, die Ratterschwingungen zu unterdrücken;
und Drehzahlsteuerungsmittel, um die drehbare Welle bei einer optimalen
Drehzahl, berechnet durch das Berechnungsmittel, rotieren zu lassen.
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Ein
zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Schwingungsunterdrückungsverfahren für
eine Werkzeugmaschine, vorge sehen mit einer drehbaren Welle zur
Rotation eines Werkzeugs oder eines Werkstücks, dadurch
gekennzeichnet, dass eine Ratterschwingung, erzeugt durch Rotation
der drehbaren Welle, durch die Ausführung des Folgenden
unterdrückt ist: ein Erfassungsschritt zur Erfassung einer
zeitbereichsweisen Schwingung auf Grund der rotierenden drehbaren
Welle; ein Berechnungsschritt zum Berechnen einer Ratterfrequenz und
einer frequenzbereichsweisen Schwingung bei der Ratterfrequenz auf
Basis der im Erfassungsschritt erfassten zeitbereichsweisen Schwingung, und
Berechnung einer optimalen Drehzahl der drehbaren Welle auf Basis
eines vorgegebenen Parameters, wenn die berechnete frequenzbereichsweise Schwingung
einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wobei die optimale
Drehzahl in der Lage ist, die Ratterschwingung zu unterdrücken;
und ein Steuerungsschritt zum Rotieren der drehbaren Welle bei einer
optimalen Drehzahl, die im Berechnungsschritt berechnet wird.
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Es
sollte beachtet werden, dass der Ausdruck "Schwingung" in der Beschreibung
der vorliegenden Erfindung eine Schwingungsbeschleunigung, Verlagerung
aufgrund von Schwingung, Schalldruck aufgrund von Schwingung und
dergleichen umfasst.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird die optimale Drehzahl auf Basis der
"Ratterschwingung", die in der momentan rotierten drehbaren Welle
erzeugt wird, berechnet, so dass die optimale Drehzahl sofort genauer
berechnet werden kann und die berechnete optimale Drehzahl sofort
für die Rotation der drehbaren Welle verwendet werden kann.
Folglicherweise kann die in der drehbaren Welle erzeugte "Ratterschwingung"
effektiv unterdrückt werden, und daher die Endbearbeitungsgenauigkeit
einer bearbeiteten Oberfläche in hoher Qualität
beibehalten werden, die Ermüdung des Werkzeugs unterdrückt und
das Abplatzen des Werkzeugs verhindert werden.
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1 ist
eine erklärende Darstellung, die einen Blockaufbau einer
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform 1 darstellt.
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2 ist
eine erklärende Darstellung, die ein Gehäuse einer
drehbaren Welle, das Gegenstand der Schwingungsunterdrückung
ist, von der Seite darstellt.
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3 ist
eine erklärende Darstellung, die das Gehäuse der
drehbaren Welle in einer Richtung der Welle zeigt.
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4 ist
eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel eines Ergebnisses
einer Fourieranalyse von zeitbereichsweisen Schwingungsbeschleunigungen zeigt.
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5 ist
eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel von Zusammenhängen
zwischen einem Koeffizienten, einem k-Wert und einer Phase, die
für die Berechnung einer optimalen Drehzahl notwendig sind,
darstellt.
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6 ist
ein Ablaufdiagramm, das zu der Unterdrückungssteuerung
einer Ratterschwingung gehört.
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7 ist
ein Ablaufdiagramm, das zu einer Unterdrückungssteuerung
einer Ratterschwingung gemäß einer Ausführungsform
2 gehört.
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8 ist
ein Ablaufdiagramm, das zu einer Unterdrückungssteuerung
einer Ratterschwingung gemäß einer Ausführungsform
3 gehört.
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9 ist
ein Diagramm, das einen konventionellen Unterdrückungseffekt
auf die Ratterschwingung zeigt.
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10 ist
ein Diagramm, das einen Unterdrückungseffekt auf die Ratterschwingung
gemäß Ausführungsform 3 zeigt.
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Eine
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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Ausführungsform 1
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1 ist
eine erklärende Darstellung, die einen Blockaufbau einer
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 zeigt. 2 ist
eine erklärende Darstellung, die ein Gehäuse 1 einer
drehbaren Welle, das zur Schwingungsunterdrückung beansprucht wird,
von der Seite zeigt. 3 ist eine erklärende Darstellung,
die das Gehäuse 1 der drehbaren Welle in einer
Richtung der Welle zeigt.
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Die
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 unterdrückt
eine "Ratterschwingung", die in einer drehbaren Welle 3,
die um eine C-Achse drehbar vorgesehen durch das Gehäuse 1 der
drehbaren Welle gesteckt ist, erzeugt wird und enthält
Schwingungssensoren (Erfassungsmittel) 2a bis 2c zur
Erfassung zeitbereichsweiser Schwingungsbeschleunigungen, erzeugt
in der rotierenden drehbaren Welle 3, und eine Steuerungsvorrichtung
(Berechnungsmittel und Drehzahlsteuerungsmittel) 5 zur
Steuerung einer Drehzahl der drehbaren Welle 3 auf Basis
der Werte, die durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c erfasst
werden.
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Die
Schwingungssensoren 2a bis 2c sind am Gehäuse 1 der
drehbaren Welle, wie in den 2 und 3 gezeigt,
angebracht und einer der Schwingungssensoren erfasst die zeitbereichsweise Schwingungsbeschleunigung
(was eine Schwingungsbeschleunigung über einer Zeitachse
bedeutet) in einer Richtung senkrecht zu den anderen Sensoren (z.
B. erfassen die Schwingungssensoren 2a bis 2c die
zeitbereichsweise Schwingungsbeschleunigungen in zueinander rechtwinkligen
X-, Y- und Z-Richtungen).
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Andererseits
enthält die Steuerungsvorrichtung 5: eine FFT-Berechnungseinheit 6,
um eine Analyse, basierend auf der zeitbereichsweisen Schwingungsbeschleunigung,
erfasst durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c,
durchzuführen; eine Parameterberechnungseinheit 7 zur
Berechnung einer optimalen Drehzahl auf der Basis eines Werts, der durch
die FFT-Berechnungseinheit 6 berechnet wird; und eine NC-Vorrichtung 8 in
dem Gehäuse 1 der drehbaren Welle zur Steuerung
der Bearbeitung, und führt die später beschriebene
Analyse in der FFT-Berechnungseinheit 6 durch und überwacht
die Drehzahl der drehbaren Welle 3.
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Die
Unterdrückungssteuerung der "Ratterschwingung" in der Steuerungsvorrichtung 5 wird jetzt
auf Basis der 4 bis 6 beschrieben. 4 ist
eine erklärende Darstellung, die ein Beispiel eines Ergebnisses
der Fourieranalyse von zeitbereichsweisen Schwingungsbeschleunigungen
zeigt. 5 ist eine erklärende Darstellung, die
ein Beispiel von Zusammenhängen zwischen einem Koeffizienten,
einem k-Wert und einer Phase, die für die Berechnung der
optimalen Drehzahl notwendig sind, darstellt. 6 ist
ein Ablaufdiagramm, das zu der Unterdrückungssteuerung
der „Ratterschwingung" gehört.
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Zunächst
führt die FFT-Berechnungseinheit 6 die Fourieranalysen
von zeitbereichsweisen Schwingungsbeschleunigungen, die an Positionen der
Schwingungssensoren 2a bis 2c während
der Dre hung (S1) kontinuierlich erfasst werden, durch. Dann berechnet
die Einheit 6 eine Frequenz (Ratterfrequenz) der drehbaren
Welle 3 und eine frequenzbereichsweise Schwingungsbeschleunigung
(was eine Schwingungsbeschleunigung über einer Frequenzachse
bedeutet) der rotierenden Welle 3 bei der Frequenz, wie
in 4 (S2) dargestellt. Wenn die oben beschriebenen
Fourieranalysen der zeitbereichsweisen Schwingungsbeschleunigungen
durchgeführt sind, wird eine Vielzahl von Spitzenmustern, wie
in 4 gezeigt, wo ein Zusammenhang zwischen einer
Frequenz und einer frequenzbereichsweisen Schwingungsbeschleunigung
gezeigt wird, erhalten. In der Ausführungsform 1 wird eine
Spitze, die die maximale frequenzbereichsweise Schwingungsbeschleunigung
hat, zur Ausführung der Steuerung verwendet.
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Die
Parameterberechnungseinheit 7 vergleicht die frequenzbereichsweise
Schwingungsbeschleunigung, die durch die obige FFT-Berechnungseinheit 6 berechnet
wurde, mit einem vorbestimmten Grenzwert, der voreingestellt wurde
(S3). Wenn die berechnete frequenzbereichsweise Schwingungsbeschleunigung
den vorbestimmten Grenzwert überschreitet (z. B. wenn ein
frequenzbereichsweiser Schwingungsbeschleunigungswert 4 in 4 erfasst wird),
berechnet die Parameterberechnungseinheit 7 die optimale
Drehzahl unter Verwendung der folgenden Berechnungsausdrücke
(1) bis (5) unter der Annahme, dass die "Ratterschwingung", die
zu unterdrücken ist, in der drehbaren Welle 3 erzeugt
wird (S4). Anschließend wird in der NC-Vorrichtung 8 die Drehzahl
der drehbaren Welle so gesteuert, dass sie gleich der berechneten
optimalen Drehzahl (S5) wird, um dabei die Verstärkung
der "Ratterschwingung" zu verhindern, d. h. die "Ratterschwingung"
zu unterdrücken.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Erfassung der Schwingungsbeschleunigungen
durch die Schwingungssensoren 2a bis 2c in der
obigen Beschreibung dem Erfassungsschritt in dem Schwingungsunterdrückungsverfahren
der vorliegenden Erfindung entspricht; die Berechnung der optimalen Drehzahl
in der FFT-Berechnungseinheit 6 und der Parameterberechnungseinheit 7 dem
Berechnungsschritt in dem Schwingungsunterdrückungsverfahren der
vorliegenden Erfindung entspricht; und die Steuerung der Drehzahl
auf die optimale Drehzahl durch die NC-Vorrichtung 8 dem
Steuerungsschritt in dem Schwingungsunterdrückungsverfahren
der vorliegenden Erfindung entspricht.
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In
der obigen Weise wird die Unterdrückungssteuerung der "Ratterschwingung"
in der Steuerungsvorrichtung 5 durchgeführt. k'-Wert = 60·Ratterfrequenz/(Anzahl der
Werkzeugschneiden·Drehzahl der drehbaren Welle), (1) k-Wert = Ganzzahliger Anteil des k'-Werts, (2) Phaseninformation = k'-Wert – k-Wert, (3) Koeffizient = a – b·k-Wert +
c·Phaseninformation, und (4) Optimale Drehzahl = Koeffizient·Stabile
Drehzahl (5)wobei
die "Anzahl der Werkzeugschneiden" in dem Ausdruck (1) als in der
Parameterberechnungseinheit 7 voreingestellt angenommen
wird. Die Drehzahl der drehbaren Welle in dem Ausdruck (1) bezieht sich
auf eine momentane Drehzahl (vor Optimieren der Drehzahl). Weiterhin
bezieht sich die stabile Drehzahl in dem Ausdruck (5) auf eine Drehzahl,
die durch das Verfahren, beschrieben in den obigen "Grundlagen",
berechnet wird, und für die "Ratterfrequenz" in der Berechnung
wird angenommen, dass sie einen Wert annimmt, der auf Basis der
Fourieranalyse erhalten wird.
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Als
nächstes wird beschrieben, wie die Konstanten a, b und
c in dem Ausdruck (4) bestimmt werden.
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Die
Konstanten a, b und c werden aus dem Stabilitätsgrenzdiagramm
bestimmt, das auf der Basis von verschiedenen Bedingungen, wie eines
Zusammenhangs zwischen einer Drehzahl der drehbaren Welle 3 und
der "Ratterfrequenz", erzeugt wird. Zum Beispiel wird eine Testbearbeitung
bei verschiedenen Drehzahlen durchgeführt und die Fourieranalysen
der zeitbereichsweisen Schwingungsbeschleunigungen, erfasst während
der Bearbeitung, werden durchgeführt, um die Frequenz (Ratterfrequenz)
der drehbaren Welle und der frequenzbereichsweisen Schwingungsbeschleunigung
bei der Frequenz zu berechnen. Die frequenzbereichsweise Schwingungsbeschleunigung
während der Bearbeitung wird entsprechend der Veränderung
der Drehzahl periodisch erhöht und vermindert, und eine
Drehzahl, bei der die frequenzbereichsweise Schwingungsbeschleunigung
minimiert ist, wird als die optimale Drehzahl erhalten. Zu diesem
Zweck werden die Phaseninformation, der k-Wert, die stabile Drehzahl und
dergleichen bei jeder Drehzahl durch die Verwendung der obigen Berechnungsausdrücke
erhalten, und dann werden die Zusammenhänge zwischen entsprechenden
Elementen (Phaseninformation und k-Wert) und einem Wert (d. h. Koeffizient),
der durch die Division der Drehzahl, bei der die frequenzbereichsweisen
Schwingungsbeschleunigung minimiert ist, durch die stabile Drehzahl
hergeleitet wird, wie in 5 dargestellt, erhalten.
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Nachfolgend
werden aus den Zusammenhängen, dargestellt in 5,
die Konstanten a, b und c in dem obigen Berechnungsausdruck für
den Koeffizienten (Ausdruck (4)) unter Benutzung von verschiedenen
analytischen Annäherungen (z. B. a = 0,971, b = 0,003 und
c = 0,045, oder anderen Kombinationen) bestimmt.
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Die
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10, die das
Schwingungsunterdrückungsverfahren wie oben beschrieben
durchführt, überwacht eine "Ratterschwingung",
die während der Rotation der drehbaren Welle 3 erzeugt
wird, in Echtzeit unter Benutzung der Schwingungssensoren 2a bis 2c,
der FFT-Berechnungseinheit 6 und der Parameterberechnungseinheit 7;
berechnet die optimale Drehzahl auf der Basis der oben angegebenen
Berechnungsausdrücke (1) bis (5) sofort nachdem die "Ratterschwingung"
erfasst ist; und gleicht die Drehzahl der drehbaren Welle 3 der
optimalen Drehzahl an, um damit die Verstärkung der "Ratterschwingung"
zu unterdrücken. Das heißt, dass die optimale
Drehzahl auf der Basis der "Ratterschwingung", erzeugt in der momentan
rotierenden drehbaren Welle 3, berechnet wird, so dass
die optimale Drehzahl sofort genauer berechnet werden kann. Folglicherweise
kann die "Ratterschwingung" effektiv unterdrückt werden
und somit die Endbearbeitungsgenauigkeit einer bearbeiteten Oberfläche
in einer hohen Qualität erhalten werden, die Ermüdung
des Werkzeugs unterdrückt und das Abplatzen des Werkzeugs
verhindert werden.
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Es
sollte beachtet werden, dass der Aufbau in Bezug auf die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung nicht auf jeglichen Aspekt, beschrieben
in der obigen Ausführungsform 1, beschränkt ist,
sondern die Ausführungen gemäß den Erfassungsmitteln,
Steuerungsvorrichtung, Steuerung der Schwingungsunterdrückung, ausgeführt
in der Steuerungsvorrichtung, und dergleichen können bei
Bedarf entsprechend verändert werden, ohne sich von dem
Bereich der vorliegenden Erfindung zu entfernen.
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Zum
Beispiel kann, wenn die Zusammenhänge zwischen der Phaseninformation,
dem k-Wert und dem Koeffizient, wie durch den Ausdruck (4) dargestellt
und in 5 gezeigt, entsprechend überprüft und
abhängig von einem Typ einer Werkzeugmaschine festgelegt
sind, die Genauigkeit weiter verbessert werden. In anderen Worten
ist die Berechnung des Koeffizienten keinesfalls auf den Ausdruck
(4), beschrieben in der obigen Ausführungsform 1, beschränkt.
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Des
weiteren ist die obige Ausführungsform 1 so konfiguriert,
dass der Koeffizient auf der Basis des Ausdrucks (4) berechnet und
erhalten wird; hingegen kann sie auch so konfiguriert sein, dass
eine Mehrzahl von Werten von den Koeffizienten im Voraus in der
Steuerungsvorrichtung gespeichert werden können, um somit
dem k-Wert und der Phaseninformation zu entsprechen, und einer der
Koeffizienten wird ausgewählt und in Übereinstimmung
mit dem berechneten k-Wert und der Phaseninformation (der Ausdruck
(4) kann z. B. ausgelassen werden) bestimmt.
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Ausführungsform 2
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Als
nächstes wird eine andere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Ausführungen der
Schwingungsunterdrückungsvorrichtung und des Gehäuses
der drehbaren Welle sind die gleichen wie die in der Ausführungsform
1, so dass das Kopieren deren Beschreibung weggelassen wird. Die
Unterdrückungssteuerung der "Ratterschwingung" in der Steuerungsvorrichtung 5 ist
basierend auf dem Ablaufdiagramm, dargestellt in 7,
beschrieben.
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Zuerst
wird die Fourieranalyse in der FFT-Berechnungseinheit 6 unter
Betrachtung der während der Drehung an den Position der
Schwingungssensoren 2a bis 2c kontinuierlich erfassten zeitbereichsweisen
Schwingungsbeschleunigung durchgeführt (S21). Dann werden
die maximale Beschleunigung, wie durch das Bezugszei chen 4 in 4 dargestellt,
und ihre zugehörige Frequenz (Ratterfrequenz) berechnet
(S22).
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Als
nächstes werden in der Parameterberechnungseinheit 7 die
maximale Beschleunigung, die im obigen S22 berechnet wurde, und
ein vorbestimmter Grenzwert, der voreingestellt wurde, mit einander
verglichen (S23). Wenn die maximale Beschleunigung den Grenzwert überschreitet,
werden der k-Wert und die Phaseninformation in S24 auf Basis der
Ratterfrequenz, der Anzahl der Werkzeugschneiden und der Drehzahl
der drehbaren Welle 3 unter Verwendung der folgenden Berechnungsausdrücke
(1) bis (3) unter der Annahme, dass die "Ratterschwingung", die
unterdrückt werden muss, in der drehbaren Welle 3 erzeugt
wird, berechnet. k'-Wert = 60·Ratterfrequenz/(Anzahl
der Werkzeugschneiden·Drehzahl der drehbaren Welle), (1) k-Wert = Ganzzahliger Anteil des k'-Wert, und (2) Phaseninformation = k'-Wert – k-Wert, (3)wobei die
"Anzahl der Werkzeugschneiden" in dem Berechnungsausdruck (1) als
in der Parameterberechnungseinheit 7 voreingestellt angenommen
wird. Weiterhin bezieht sich die Drehzahl der drehbaren Welle in
dem Berechnungsausdruck (1) auf eine derzeitige Drehzahl (vor Optimierung
der Rotationsgeschwindigkeit).
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Nachfolgend
wird in S25 die Phaseninformation, die mit dem Berechnungsausdruck
(3) erhalten wird, mit den Konstanten 1 und 2 verglichen. Wenn die
Phaseninformation größer als die Konstante 1 und
kleiner als die Konstante 2 ist, wird der k1-Wert in S26 auf Basis
eines modifizierten Ausdrucks (1) unter der Annahme, dass die erzwungene
Ratterschwingung erzeugt wird, berechnet. Andererseits wird, wenn
die Phaseninformation außerhalb dieses Bereichs ist, der
k1-Wert in S27 auf der Basis eines modifizierten Ausdrucks (2) unter
der Annahme, dass der regenerative Typ der Ratterschwingung erzeugt wird,
berechnet. Die Bedingung zur Bestimmung in S25 ist eine vorbestimmte
Bedingung, um einen Typ der Ratterschwingung zu erkennen. k1-Wert = k-Wert + Konstante 3 + 1 – modifizierter Ausdruck (1) k1-Wert = k-Wert + 1 – modifizierter
Ausdruck (2)
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Zusätzlich
kann, wenn die Konstanze 1 = 0 und die Konstante 2 = 0,1 gegeben
ist, die erzwungene Ratterschwingung ausgewählt werden
und damit vom regenerativen Typ der Ratterschwingung unterschieden
werden. Weiterhin kann, wenn die Konstante 3 typischerweise auf
0,5 oder –0,5 eingestellt wird, die erzwungene Ratterschwingung
am besten unterdrückt werden. Die Auswahl von ± (plus
oder minus) hängt mit dem Ansteigen oder Fallen der Drehzahl zusammen.
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Nachfolgend
wird in S28 die optimale Drehzahl auf Basis des folgenden Berechnungsausdrucks (6)
unter Benutzung der Ratterfrequenz, der Anzahl der Werkzeugschneiden
und des k1-Werts, erhalten in S26 oder S27, berechnet. Optimale Drehzahl = 60·Ratterfrequenz/(Anzahl
der Werkzeugschneiden·k1-Wert) (6)
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Schließlich
wird in S29 die Drehzahl der drehbaren Welle 3 mit der
NC-Vorrichtung 8 so verändert, dass sie der berechneten
optimalen Drehzahl gleichgesetzt wird, um damit eine Verstärkung
der "Ratterschwingung" zu verhindern, d. h. die "Ratterschwingung"
zu unterdrücken.
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In
der obigen Weise wird die Unterdrückungssteuerung der "Ratterschwingung"
in der Steuerungsvorrichtung 5 durchgeführt.
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Wie
oben beschrieben, überwacht die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 gemäß der
Ausführungsform 2 die "Ratterschwingung", die während
der Rotation der drehbaren Welle 3 erzeugt wird in Echtzeit,
unter Verwendung der Schwingungssensoren 2a bis 2c,
der FFT-Berechnungseinheit 6 und der Parameterberechnungseinheit 7.
Dann berechnet die Vorrichtung 10 die optimale Drehzahl auf
Basis der obigen Berechnungsausdrücke (1) bis (3) und (6)
und den modifizierten Ausdrücken (1) und (2) sofort nachdem
die Erzeugung der "Ratterschwingung" erfasst wird. Dann wird die
Drehzahl der drehbaren Welle 3 mit der optimalen Drehzahl
gleichgesetzt, um dabei die Verstärkung der "Ratterschwingung"
zu unterdrücken. Mit anderen Worten wird die optimale Drehzahl
auf Basis der "Ratterschwingung", die in der momentan rotierenden
drehbaren Welle über die rotierende drehbare Welle erzeugt
wird, berechnet, so dass die optimale Drehzahl sofort genauer berechnet
werden kann. Im speziellen erkennt die Parameterberechnungseinheit 7 einen
Typ der erzeugten Ratterschwingung und berechnet die optimale Drehzahl
mit einem Parameter, der abhängig von dem Typ verändert
wird, so dass die erzwungene Ratterschwingung und die Ratterschwingung
vom regenerativen Typ klar voneinander unterschieden werden können,
um sofort die optimale Drehzahl für jeden der Fälle
zu erhalten. Als ein Ergebnis wird es möglich, die Ratterschwingung
effektiv zu unterdrücken. Dementsprechend kann die Endbearbeitungsgenauigkeit
der bearbeiteten Oberfläche in hoher Qualität
beibehalten werden und es kann ebenfalls die Unterdrückung
der Ermüdung des Werkzeugs und die Verhinderung des Abplatzens
des Werkzeugs erwartet werden.
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In
der Ausführungsform 2 können die Phaseninformation,
k-Wert, Konstanten und dergleichen und die Zusammenhänge
zwischen ihnen, wie in den Berechnungsausdrücken (1) bis
(3) und (6) und modifizierten Ausdrücken (1) und (2) angemessen überprüft
und, in Abhängigkeit von einem Typ eines Maschinenwerkzeugs
festgelegt werden, so dass die Genauigkeit weiter verbessert werden
kann.
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Ausführungsform 3
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Unter
Bezugnahme auf 8 wird zuerst die Fourieranalyse,
die die zeitbereichsweise Schwingungsbeschleunigung betrachtet,
die an den Positionen der Schwingungssensoren 2a bis 2c während der
Rotation kontinuierlich erfasst wird (S31), in der FFT-Berechnungseinheit 6 durchgeführt,
und die maximale Beschleunigung und ihre zugehörige Frequenz
(Ratterfrequenz) werden, wie durch das Bezugszeichen 4 in 4 dargestellt,
berechnet (S32).
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Dann
wird in der Parameterberechnungseinheit 7 die maximale
Beschleunigung, die in dem obigen S32 berechnet wurde, mit einem
vorbestimmten Grenzwert, der voreingestellt wurde, verglichen (S33)
und wenn die maximale Beschleunigung den Grenzwert überschreitet,
werden der k-Wert und die Phaseninformation in S34 auf Basis der
Ratterfrequenz, der Anzahl der Werkzeugschneiden und der Drehzahl
der drehbaren Welle 3 unter Verwendung der folgenden Berechnungsausdrücke
(1) bis (3) unter der Annahme, dass die Ratterschwingung, die unterdrückt
werden muss, in der drehbaren Welle 3 erzeugt wird, berechnet. k'-Wert = 60·Ratterfrequenz/(Anzahl der
Werkzeugschneiden·Drehzahl der drehbaren Welle), (1) k-Wert = Ganzzahliger Anteil des k'-Werts, und (2) Phaseninformation = k'-Wert – k-Wert, (3)worin die
"Anzahl der Werkzeugschneiden" in dem Berechnungsausdruck (1) als
in der Parameterberechnungseinheit 7 voreingestellt angenommen
wird. Ebenfalls bezieht sich die Drehzahl der drehbaren Welle in
dem Berechnungsausdruck (1) auf eine momentane Drehzahl (vor Optimierung
der Drehzahl).
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Nachfolgend
wird in S35 die Phaseninformation, die mit dem Berechnungsausdruck
(3) erhalten wird, mit einer eingestellten Konstante verglichen. Wenn
die Phaseninformation gleich oder größer als die
eingestellte Konstante ist, wird der k-Wert in S36 auf Basis eines
modifizierten Ausdrucks (3) berechnet. Andererseits wird, wenn die
Phaseninformation kleiner als die eingestellte Konstante ist, der
k1-Wert in S37 auf Basis eines modifizierten Ausdrucks (4) berechnet. k1-Wert = k-Wert + 1 – modifizierter
Ausdruck (3) k1-Wert = k-Wert – modifizierter Ausdruck (4)
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Zusätzlich
wird, wenn die eingestellte Konstante typischerweise auf 0,5 eingestellt
ist, ein Änderungsbetrag der Drehzahl minimiert. Jedoch
kann, wenn die Veränderungsrate der Drehzahl klein ist, eine
untere Schnittgrenze im Stabilitätsgrenzdiagramm darunter
fallen und eine Ratterschwingung vom regenerativen Typ kann, in
Abhängigkeit von einer Richtung wohin die Drehzahl geändert
wird, erzeugt werden, so dass es nur notwendig ist, die untere Grenze
als eingestellte Konstante mit der Phaseninformation zu vergleichen.
In diesem Fall wird die eingestellte Konstante von 0,75 vorzugsweise
gewählt.
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Nachfolgend
wird in S38 die optimale Drehzahl auf Basis des folgenden Berechnungsausdrucks (6)
unter Verwendung der Rat terfrequenz, Anzahl der Werkzeugschneiden
und des k1-Werts, erhalten in S36 oder S37, berechnet. Optimale Drehzahl = 60·Ratterfrequenz/(Anzahl
der Werkzeugschneiden·k1-Wert) (6)
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Abschließend
wird in S39 die Drehzahl der drehbaren Welle 3 mit der
NC-Vorrichtung 8 geändert und so der berechneten
optimalen Drehzahl angeglichen, um damit die Verstärkung
der Ratterschwingungen zu verhindern, das heißt, die Ratterschwingungen
zu unterdrücken.
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In
der obigen Weise wird die Unterdrückungssteuerung der Ratterschwingung
in der Steuerungsvorrichtung 5 durchgeführt.
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Wie
oben beschrieben, überwacht die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung 10 gemäß der
Ausführungsform 3 die Ratterschwingung, die während
einer Rotation der drehbaren Welle erzeugt wird, unter Verwendung
der Schwingungssensoren 2a bis 2c, der FFT-Berechnungseinheit 6 und
der Parameterberechnungseinheit 7 in Echtzeit. Dann berechnet
die Vorrichtung 10 die optimale Drehzahl auf Basis der
obigen Berechnungsausdrücke (1) bis (3) und (6) und modifizierten
Ausdrücken (3) und (4), sofort nachdem die Erzeugung von
Ratterschwingungen erfasst wird, und gleicht die Drehzahl der drehbaren
Welle an die optimale Drehzahl an, um damit die Verstärkung
der Ratterschwingung zu unterdrücken. Das heißt,
dass die optimale Drehzahl auf der Basis der Ratterschwingung, die
in der momentan rotierten drehbaren Welle 3 erzeugt wird,
berechnet wird, so dass die optimale Drehzahl sofort genauer berechnet werden
kann. Im speziellen vergleicht die Parameterberechnungseinheit 7 die
Phaseninformation mit der eingestellten Konstanten und berechnet
die optimale Drehzahl mit einem Parameter, der in Abhängigkeit von
einem Vergleichsergebnis verändert wird. Als ein Ergebnis
wird es ermöglicht, die Ratterschwingung innerhalb einer
kurzen Zeit zu unterdrücken. Dementsprechend kann die Endbearbeitungsgenauigkeit der
bearbeiteten Oberfläche in einer hohen Qualität beibehalten
werden und es kann auch erwartet werden, dass die Ermüdung
des Werkzeugs unterdrückt und das Abplatzen des Werkzeugs
verhindert werden.
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9 und 10 sind
Diagramme, die die Unterdrückungseffekte von Ratterfrequenzen
(Frequenzen von Ratterschwingungen) entsprechend für die
Fälle, in denen eine konventionelle Schwingungsunterdrückungsvorrichtung
ohne die Verwendung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und
wo die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung der vorliegenden
Erfindung verwendet wird, darstellen. Im Fall von 9 wird
die Drehzahl stark von 6.800 min–1 auf 6.250
min–1 geändert, und daher
dauert es lange um die Ratterschwingungen zu unterdrücken.
Andererseits wird im Fall von 10 die
Drehzahl schnell von 6.800 min–1 auf
7.000 min–1 geändert,
um die optimale Drehzahl zu erreichen, und daher kann die maximale
Beschleunigung G schneller herabgesetzt werden als das Zeitintervall
in 9, um dabei die Ratterschwingung in einer kurzen
Zeit zu unterdrücken.
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In
der obigen Ausführungsform 3 können dann zum Beispiel
die Phaseninformation, der k-Wert, die eingestellte Konstante und
dergleichen, und Zusammenhänge zwischen diesen, wie durch die
Berechnungsausdrücke (1) bis (3) und (6) und den modifizierten
Ausdrücken (3) und (4) dargestellt, entsprechend geprüft
und abhängig von einem Typ einer Werkzeugmaschine bestimmt
werden, so dass die Genauigkeit weiter verbessert werden kann.
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Anstelle
des Verfahrens in S35 bis S38, kann in Anbetracht der, aus dem obigen
k1-Wert berechneten, optimalen Drehzahl, ein Verfahren verwendet werden,
um zwei optimale Drehzahlen entsprechend dem k-Wert und dem k-Wert
+1 in dem Berechnungsausdruck (6) zu berechnen; auf der Basis der
Differenz zwischen den zwei optimalen Drehzahlen und einer momentanen
Drehzahl wird eine der zwei optimalen Drehzahlen als die optimale
Drehzahl ausgewählt, die einen geringeren Änderungsbetrag
der Drehzahl hat; und die Drehzahl in der drehbaren Welle 3 in
der NC-Vorrichtung 8 wird auf diese geändert, um
Ratterschwingungen zu unterdrücken.
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Jede
der obigen Ausführungsformen ist ferner geeignet, eine
Steuerung bezüglich der Unterdrückung der "Ratterschwingung",
unter Verwendung einer Spitze durchzuführen, die den maximalen
frequenzbereichsweisen Schwingungsbeschleunigungswert hat, der aus
dem Ergebnis der Fourieranalyse der durch die Erfassungsmittel erfassten
zeitbereichsweisen Schwingungsbeschleunigungen erhalten wird; jedoch
kann die optimale Drehzahl unter Verwendung einer Mehrzahl von Spitzen
(z. B. drei), die einen frequenzbereichsweisen Schwingungsbeschleunigungswert
haben, der größer ist als die des Rests, berechnet
werden und dabei den Unterdrückungseffekt "Ratterschwingung"
weiter verbessern.
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Weiterhin
ist die obige Ausführungsform entsprechend konfiguriert,
um die Schwingungsbeschleunigungen der drehbaren Welle 3 mit
den Erfassungsmitteln 2a, 2b und 2c zu
erfassen und die optimale Drehzahl auf der Basis der erfassten Schwingungsbeschleunigungen
zu berechnen; jedoch kann eine Konfiguration so ausgeführt
werden, dass die Erfassungsmittel eine Verlagerung oder einen Schalldruck
auf Grund von Schwingungen erfassen, und die optimale Drehzahl auf
der Basis der erfassten Verlagerung oder des erfassten Schalldrucks
berechnet wird.
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Darüber
hinaus ist die obige Ausführungsform entsprechend konfiguriert,
um die Schwingung der drehbaren Welle der Werkzeugmaschine, wie
bei einem so genannten Bearbeitungszentrum, in dem das Werkzeug
rotiert wird, zu erfassen; jedoch kann auch eine Konfiguration ausgeführt
werden, so dass die Schwingung des Werkstücks oder nahe
bei dem Werkstück, was einer nicht drehenden Seite (festen Seite)
entspricht, erfasst wird. Weiterhin ist die vorliegende Erfindung
auf eine Werkzeugmaschine, wie eine Drehmaschine, anwendbar, worin
das Werkstück rotiert wird, und in einem solchen Fall kann
eine Schwingung auf einer Hauptspindelseite, die der drehbaren Welle
entspricht und das Werkstück hält, erfasst werden
oder eine Schwingung des Werkzeugs, das der festen Seite entspricht,
kann erfasst werden. Zusätzlich sollte man sich bewusst
sein, dass die Anbringungspositionen der Erfassungsmittel, die Anzahl
der Anbringungen und dergleichen in Abhängigkeit von einem
Typ, Größe oder dergleichen der Werkzeugmaschine
entsprechend geändert werden können.
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Eine
Ausführungsform zur Realisierung des Schwingungsunterdrückungsverfahrens
der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Schwingungsunterdrückungsvorrichtung
in jeglicher der obigen Ausführungsformen beschränkt.
Zum Beispiel sind die obigen Ausführungsformen so konfiguriert,
dass in der Steuerungsvorrichtung die NC-Vorrichtung automatisch
die Drehzahl der drehbaren Welle steuert, wenn die optimale Drehzahl
mit der FFT-Berechnungseinheit und der Parameterberechnungseinheit berechnet
ist, und dabei den Berechnungsschritt der Berechnung der optimalen
Drehzahl und dem Steuerungsschritt der Steuerung der drehbaren Welle
auf die optimale Drehzahl durchführt; jedoch kann sie anstelle
einer solchen Konfiguration so geändert werden, dass zum
Beispiel die optimale Drehzahl, erhalten mit der FFT-Berechnungseinheit,
einmal auf einem Anzeigeteil angezeigt wird, um einen Bediener zu
informieren und der Bediener führt eine Eingabeoperation
an der NC-Vorrichtung aus, um dabei die Drehzahl der drehbaren Welle
auf die optimale Drehzahl zu verändern. Das heißt,
jegliche Veränderungen können durchgeführt
werden, ohne sich von dem Bereich der vorliegenden Erfindung zu
entfernen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2003-340627 [0003]
- - JP 2001-517557 [0003]