DE102014114420B4

DE102014114420B4 - Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102014114420B4
Application number: DE102014114420.1A
Authority: DE
Inventors: Gaku ISOBE
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2013-10-11
Filing date: 2014-10-06
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: JP2015074074A; US20150104263A1; DE102014114420A1; CN104551860A; US10029340B2; CN104551860B; JP5739501B2

Abstract

Werkzeugmaschine mit einem Spindelkopf (1), an dem ein Werkzeug (3) angebracht werden kann und von dem das Werkzeug (3) gelöst werden kann, und einem Spindelkopf-Antriebsmotor (A3), der den Spindelkopf (1) in eine Richtung bewegen kann, die nicht die horizontale Richtung ist,wobei die Werkzeugmaschine umfasst:eine Lastdrehmoment-Erfassungseinheit, die dafür ausgelegt ist, ein Lastdrehmoment zu erfassen, das auf den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) wirkt;eine Datenspeichereinheit (21), die dafür ausgelegt ist, vorab einen Zusammenhang zwischen einem Gewicht eines Werkzeugs, das in den Spindelkopf (1) eingesetzt ist, und einem Lastdrehmoment, das bei einem vorbestimmten Antriebszustand auf den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) wirkt, hinsichtlich einer Mehrzahl Objekte mit unterschiedlichen Gewichten zu erhalten, und den Zusammenhang als Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten zu speichern; undeine Werkzeuggewicht-Schätzeinheit, die dafür ausgelegt ist, ein Lastdrehmoment des Spindelkopf-Antriebsmotors (A3) bei dem vorbestimmten Antriebszustand zu erfassen, wenn das Werkzeug (3) in den Spindelkopf (1) eingesetzt ist, und zwar mit Hilfe der Lastdrehmoment-Erfassungseinheit, und das Gewicht des in den Spindelkopf (1) eingesetzten Werkzeugs (3) abhängig von dem erfassten Lastdrehmoment und den Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten eingesetzter Objekte und Lastdrehmomenten, die in der Datenspeichereinheit (21) abgelegt sind, zu schätzen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine. Sie betrifft insbesondere eine Werkzeugmaschine, die einen Spindelkopf aufweist, an dem ein Werkzeug befestigt werden kann bzw. von dem ein Werkzeug gelöst werden kann, und die ein Werkstück dadurch bearbeitet, dass ein Motor den Spindelkopf bewegt.
Beschreibung des Stands der Technik
Es sind einige herkömmliche Werkzeugmaschinen verfügbar, die mit einem Werkzeugwechsler ausgestattet sind, bei dem das Gewicht eines Werkzeugs beachtet wird, und die eine Funktion zum Ändern der Arbeitsgeschwindigkeit der Spindel hat, da sich die Trägheit der Teile, die verschiedene Werkzeuge wechseln, halten und bewegen, abhängig vom Gewicht der Werkzeuge ändert und die Steuerung der Operationen der Werkzeugmaschinen beeinflusst. Dank einem solchen Mechanismus können diese Werkzeugmaschinen mit einer geeigneten Geschwindigkeit betrieben werden, und der darauf wirkende Stoß und die vom Motor erzeugte Wärme werden so klein wie möglich, indem die Werkzeugmaschine mit einer geeigneten Geschwindigkeit betrieben wird. Bei solchen herkömmlichen Werkzeugmaschinen gibt die Bedienperson üblicherweise die Daten für das Gewicht des Werkzeugs direkt ein, oder sie überträgt die vorbereiteten Daten in die Steuervorrichtung der Werkzeugmaschine und gibt sie damit ein.
Erlaubt man der Bedienperson jedoch, das Werkzeuggewicht direkt einzugeben, so können fehlerhafte Eingaben auftreten. Vorgehensweisen, die eine Werkzeugmaschine veranlassen, das Gewicht eines Werkzeugs und ähnliche Größen zu erfassen, ohne dass das Gewicht eingegeben wird, sind bekannt.
In der JP H11-188 557 A ist ein Werkzeugwechsler mit einem Wechselarm offenbart, bei dem ein zum Drehen des Wechselarms, der ein Werkzeug hält, nötiges Antriebsdrehmonent abhängig von Veränderungen der Trägheit erfasst wird, die durch das Gewicht des Werkzeugs verursacht werden, das der Wechselarm hält. Anschließend wird das Gewicht des Werkzeugs aus dem Antriebsdrehmonent geschätzt, damit die Arbeitsgeschwindigkeit des Wechselarms abhängig von dem geschätzten Gewicht des Werkzeugs automatisch eingestellt wird.
In der JP H5-138 502 A ist dagegen eine numerisch gesteuerte Werkzeugmaschine offenbart, die dafür ausgelegt ist: vorab die zulässige Drehzahl der Spindel bezüglich eines vorgegebenen Trägheitsmoments des Werkzeugs festzulegen; nach dem Werkzeugtausch eine konstante Leistung an den Antriebsmotor der Spindel zu liefern; eine Anstiegszeit vom Beginn der Leistungszufuhr bis zu dem Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem die Drehzahl der Spindel den eingestellten Wert erreicht; ein Trägheitsmoment der Spindel nach dem Einsetzen des Werkzeugs aus der erhaltenen Anstiegszeit zu berechnen; und die zulässige Drehzahl, die zu dem Trägheitsmoment gehört, mit der Drehzahl zu vergleichen, die im Programm spezifiziert ist, um festzustellen, ob die spezifizierte Drehzahl möglich ist.
In der JP 2000-343 379 A ist eine Hauptspindelkopf-Steuervorrichtung offenbart, die dafür ausgelegt ist, das Gewicht eines Werkzeugs an der Spindel aus dem Wert des Stroms zu schätzen, der an das magnetische Lager geliefert wird, das im Spindelkopf verwendet wird, damit die Grenzdrehzahl des Spindelkopfs abhängig von diesem geschätzten Werkzeuggewicht festgelegt wird.
Die Drehzahl der Spindel, bei der Werkzeuge gewechselt werden können, die Bewegungsgeschwindigkeit des Spindelkopfs und weitere Größen werden abhängig vom Gewicht eines jeden gehaltenen Werkzeugs begrenzt. Aus diesem Grund bevorzugt man, das Gewicht des von der Spindel zu haltenden Werkzeugs einzugeben und das Gewicht abhängig von einer bestmöglichen Bewegungsgeschwindigkeit zu steuern. Man bevorzugt auch, das Werkzeuggewicht automatisch feststellen zu können, damit fehlerhafte Eingaben des Werkzeuggewichts verhindert werden.
Der in der JP H11-188 557 A beschriebene Werkzeugwechselarm erfasst das Antriebsdrehmonent, das zum Drehen des Wechselarms nötig ist, der ein Werkzeug hält, und schätzt anschließend das Gewicht des Werkzeugs aus diesem Antriebsdrehmonent. Die in der japanischen Patentschrift Nr. H11-188557 beschriebene Vorgehensweise kann jedoch nur bei einer Werkzeugmaschine mit einem Werkzeugwechselarm angewendet werden.
Dagegen wird in der JP H5-138 502 A das Trägheitsmoment eines Werkzeugs geschätzt, wodurch man die Wirkung erzielt, dass eine überhöhte Drehzahl jenseits der Fähigkeit der Spindel vermieden wird, wenn ein schweres Werkzeug an der Spindel angebracht ist. Es kann jedoch nur das Trägheitsmoment der Spindel geschätzt werden, und die Vorgehensweise kann nicht dazu verwendet werden, den Werkzeugwechselvorgang oder den Spindelkopf-Bewegungsvorgang abhängig vom Werkzeuggewicht zu optimieren.
In der Hauptspindelkopf-Steuervorrichtung, die in der JP 2000-343 379 A beschrieben ist, wird das Gewicht des Werkzeugs, das an der Spindel angebracht ist, aus dem Wert des Stroms geschätzt, der dem magnetischen Lager geliefert wird. Damit kann diese Vorrichtung nur bei einer Werkzeugmaschine verwendet werden, die einen Spindelkopf mit einem magnetischen Lager aufweist, und nicht bei einer Werkzeugmaschine, in der kein magnetisches Lager verwendet wird.
Die US 5 772 564 A zeigt eine Spindel mit einem Magnetlager mit einer Vorrichtung zum Messen eines Gewichts eines Werkzeugs durch Messen der Anregungsströme des Magnetlagers.
Die US 2006/0 169 050 A1 zeigt eine Werkzeugmaschine mit einem Gewichtssensor zur Messung des Gewichts eines Bearbeitungskopfes.
Die CN 102 686 358 A zeigt ein Steuerungsverfahren zur Steuerung einer Transportwelle in Übereinstimmung mit dem Gewicht eines Materials.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Werkzeugmaschine bereitzustellen, in der ein Motor zum Bewegen und Bearbeiten eines Spindelkopfs verwendet wird, an dem ein Werkzeug befestigt werden kann bzw. von dem ein Werkzeug abgenommen werden kann, wobei die Werkzeugmaschine in der Lage ist, das Gewicht eines Werkzeugs zu schätzen, das in den Spindelkopf eingesetzt ist, ohne dass Werkzeuggewichtsdaten direkt eingegeben werden.
Eine Werkzeugmaschine der Erfindung umfasst die Merkmale von Anspruch 1 oder Anspruch 2. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Diese Anordnung erlaubt es der Werkzeugmaschine für sich allein, das Gewicht des Werkzeugs zu erfassen, das in den Spindelkopf eingesetzt ist.
Anstelle des Lastdrehmoments kann der Betriebsstrom verwendet werden. Eine Betriebsstrom-Erfassungseinheit, die dafür ausgelegt ist, einen Betriebsstromwert für den Spindelkopf-Antriebsmotor zu erfassen, kann anstelle der Lastdrehmoment-Erfassungseinheit vorhanden sein. Der Betriebsstrom des Spindelkopf-Antriebsmotors kann anstelle des Lastdrehmoments gewonnen werden. Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten von eingesetzten Objekten und Betriebsstromwerten können in der Datenspeichereinheit abgelegt sein, und zwar anstelle der Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten. Die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit kann das Gewicht des in den Spindelkopf eingesetzten Werkzeugs unter Verwendung der Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten von eingesetzten Objekten und Betriebsstromwerten und abhängig vom Betriebsstromwert schätzen, den die Betriebsstrom-Erfassungseinheit erfasst.
In der Werkzeuggewicht-Schätzeinheit kann ein Verknüpfungsausdruck zwischen dem Gewicht des Werkzeugs und dem Betriebsstromwert anstelle des Verknüpfungsausdrucks zwischen dem Werkzeuggewicht und dem Lastdrehmoment verwendet werden, um das Gewicht des Werkzeugs zu schätzen, das in den Spindelkopf eingesetzt ist, und zwar abhängig von diesem Verknüpfungsausdruck und dem Betriebsstromwert, den die Betriebsstrom-Erfassungseinheit erfasst.
Die Werkzeugmaschine kann einen Spindelkopf aufweisen, der dafür ausgelegt ist, dass er in einer vertikalen Richtung bewegt wird, und einen Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus, der dafür ausgelegt ist, den Spindelkopf zu bewegen, und die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit ist dafür ausgelegt, ein Werkzeuggewicht m zu berechnen und zu schätzen, und zwar mit Hilfe eines Lastdrehmoments des Spindelkopf-Antriebsmotors bei stillstehendem Spindelkopf ausgehend von dem folgenden Verknüpfungsausdruck: $m = 2 πη T / gLZ - M$
wobei T das Lastdrehmoment des Spindelkopf-Antriebsmotors bei stillstehendem Spindelkopf darstellt, M das Gewicht des Spindelkopfs, Z das Untersetzungsverhältnis eines Untersetzungsmechanismus, der sich zwischen dem Spindelkopf-Antriebsmotor und einem Kugelgewindetrieb befindet, L eine Steigung des Kugelgewindetriebs, η einen Wirkungsgrad des Kugelgewindetriebs und g die Schwerkraftbeschleunigung.
Die Werkzeugmaschine kann ein Werkzeugmagazin aufweisen, das dafür ausgelegt ist, eine Anzahl Werkzeuge aufzubewahren, die am Spindelkopf befestigt werden bzw. davon gelöst werden, und das die Werkzeuge mit Hilfe von Werkzeugnummern verwaltet, und eine Werkzeug-Speichereinheit, die dafür ausgelegt ist, die Zuordnung zwischen dem Gewicht des Werkzeugs, das die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit schätzt, und den Werkzeugnummern der im Werkzeugmagazin gelagerten Werkzeuge zu speichern. Diese Anordnung kann Werkzeuggewichtsdaten erzeugen, die den Werkzeugnummern zugeordnet sind, ohne dass die Werkzeuggewichtsdaten direkt eingegeben werden müssen.
Zudem kann ein Werkzeug mit einem bekannten Gewicht eingesetzt werden. Die Werkzeugmaschine kann eine Korrektureinheit enthalten, die dafür ausgelegt ist, den Verknüpfungsausdruck zwischen dem Gewicht des Werkzeugs und dem Lastdrehmoment abhängig von einem Lastdrehmoment, das bei einem vorbestimmten Antriebszustand auf den Spindelkopf-Antriebsmotor wirkt und von der Lastdrehmoment-Erfas- - sungseinheit erfasst wird, wenn ein Werkzeug mit bekannten Gewicht eingesetzt ist, und abhängig vom Gewicht des Werkzeugs zu korrigieren. Diese Anordnung kann den Verknüpfungsausdruck für den Fall korrigieren, dass die Verschlechterung eines Spindelkopf-Antriebsmechanismus aufgrund der Alterung der Werkzeugmaschine zu Schwankungen im Verknüpfungsausdruck führt.
Zudem kann ein Werkzeug mit einem bekannten Gewicht eingesetzt werden. Die Werkzeugmaschine kann eine Korrektureinheit enthalten, die dafür ausgelegt ist, den Verknüpfungsausdruck zwischen dem Gewicht des Werkzeugs und dem Betriebsstromwert abhängig vom Betriebsstromwert des Spindelkopf-Antriebsmotors bei dem vorbestimmten Antriebszustand, der von der Betriebsstrom-Erfassungseinheit erfasst wird, wenn ein Werkzeug mit bekanntem Gewicht eingesetzt ist, und abhängig vom Gewicht des Werkzeugs zu korrigieren. Diese Anordnung kann die Veränderungen in den Konstanten des Verknüpfungsausdrucks korrigieren, die durch die Abnutzung des Spindelkopf-Antriebsmechanismus der Werkzeugmaschine verursacht werden.
Zusätzlich kann die Werkzeugmaschine eine Gewichtsvergleichseinheit aufweisen, die das Werkzeuggewicht mit der Werkzeuggewicht-Schätzeinheit schätzt, wenn ein Werkzeug mit bekanntem Gewicht eingesetzt ist, und die das geschätzte Werkzeuggewicht mit dem tatsächlichen Werkzeuggewicht vergleicht, um die Differenz zwischen diesen Werten zu erhalten, und eine Alarmeinheit, die eine Meldung anzeigt oder eine Warnung erzeugt, falls die Differenz zwischen den Gewichten größergleich einem vorbestimmten Wert ist. Eine solche Anordnung der Werkzeugmaschine kann eine Störung des Spindelkopf-Antriebssystems erfassen.
Die Werkzeugmaschine kann eine Gewichtsvergleichseinheit aufweisen, die dafür ausgelegt ist, einen Wert des Gewichts eines Werkzeugs, den die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit schätzt, wenn das Werkzeug aus dem Werkzeugmagazin entnommen wird und in den Spindelkopf eingesetzt wird, mit dem Werkzeuggewicht zu vergleichen, das in der Werkzeuggewichtsdaten-Speichereinheit abgelegt ist, um die Differenz zwischen diesen Werten zu erhalten. Die Werkzeugmaschine ist dafür ausgelegt, eine Meldung anzuzeigen oder eine Warnung zu erzeugen, falls die Differenz zwischen den Gewichten größergleich einem vorbestimmten Wert ist.
Die Erfindungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 und die Erfindung gemäß dem Anspruch 10 sind wie beschrieben konfiguriert, damit sie das Werkzeuggewicht aus dem Lastdrehmoment oder Betriebsstrom des Spindelkopf-Antriebsmotors schätzen können. Dadurch ist es unnötig, die Werkzeuggewichte direkt einzugeben, und fehlerhafte Eingaben können vermieden werden. Damit kann der Betrieb des Spindelkopfs abhängig von den Werkzeuggewichten geeignet konfiguriert werden.
Die Erfindung nach Anspruch 6 ist wie beschrieben konfiguriert, damit sie die Werkzeuggewichtsdaten erzeugen kann, die den Werkzeugnummern zugeordnet sind, ohne dass die Werkzeuggewichtsdaten direkt eingegeben werden müssen. Damit kann der Betrieb des Werkzeugwechslers abhängig von den Anordnungen und Gewichten der Werkzeuge passend konfiguriert werden.
Die Erfindungen gemäß den Ansprüchen 7 und 10 sind wie beschrieben konfiguriert, damit sie den Verknüpfungsausdruck zwischen dem Werkzeuggewicht und dem Lastdrehmoment oder dem Betriebsstrom des Spindelkopf-Antriebsmotors korrigieren können und ein korrektes Werkzeuggewicht auch dann berechnen können, wenn die Abnützung des Spindelkopf-Antriebsmechanismus Schwankungen im Verknüpfungsausdruck bewirkt. Die Erfindung gemäß Anspruch 8 ist wie beschrieben konfiguriert, damit sie eine Störung des Antriebssystems anhand der Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten von Objekten, die in die Spindelköpfe eingesetzt sind, und den Lastdrehmomenten oder dem Verknüpfungsausdruck zwischen diesen Werten, und anhand des von der Werkzeuggewicht-Schätzeinheit geschätzten Werkzeuggewichts erfassen kann, und eine Warnung erzeugt. Aufgrund dieser Konfiguration kann ein Problem im Antriebssystem gefunden werden, bevor Verarbeitungsdefekte und andere Schwierigkeiten auftreten. Die Erfindung gemäß Anspruch 9 ist wie beschrieben konfiguriert, damit sie eine Verschlechterung eines Werkzeugs erfassen kann und bei einer Bedienperson anfragt, ob das Werkzeug gewechselt wird. Wird das Werkzeug nicht gewechselt, so kann diese Werkzeugmaschine die Bedienperson informieren, dass ein Bruch des Werkzeugs oder eine Störung des Antriebssystems droht.
Figurenliste
Die genannten Aufgaben und Merkmale der Erfindung und weitere Aufgaben und Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher hervor.
Es zeigt:

1 eine Skizze eines Spindelkopfs und eines Spindelkopf-Antriebsmechanismus einer Werkzeugmaschine gemäß einer ersten und einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Blockdiagramm eines Controllers, der den Betrieb der Werkzeugmaschine der Ausführungsformen der Erfindung steuert;
3 ein Flussdiagramm eines Algorithmus einer Werkzeuggewicht-Schätzprozedur der ersten Ausführungsform;
4 eine Skizze eines Spindelkopfs und eines Spindelkopf-Antriebsmechanismus einer Werkzeugmaschine gemäß einer dritten und einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
5 ein Flussdiagramm eines Algorithmus einer Werkzeuggewicht-Schätzprozedur der dritten Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Werkzeugmaschine mit einer einfachen Anordnung gemäß einiger Ausführungsformen der Erfindung schätzt das Gewicht eines Werkzeugs, das an der Spindel der Werkzeugmaschine angebracht ist, abhängig vom Lastdrehmoment oder Betriebsstrom eines Spindelkopf-Antriebsmotors bei einem vorbestimmten Antriebszustand. Das Werkzeuggewicht wird insbesondere ohne Einsatz irgendwelcher speziellen oder teueren Teile geschätzt. Zudem wird das geschätzte Werkzeuggewicht einer Werkzeugnummer im Werkzeugmagazin zugeordnet. Diese Zuordnung wird gespeichert, so dass der Betrieb eines Werkzeugwechslers oder des Spindelkopfs abhängig vom Werkzeuggewicht geeignet angepasst werden kann.
Erste Ausführungsform
1 zeigt eine Skizze eines Spindelkopfs und eines Spindelkopf-Antriebsmechanismus einer Werkzeugmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform wird der Spindelkopf 1 in der vertikalen Richtung (Z-Achsen-Richtung) durch einen Spindelkopf-Antriebsmotor A3 (Z-Achsen-Vorschubwellen-Servomotor) bewegt. Der Spindelkopf 1 weist einen Werkzeuggreifer 2 auf, an dem ein Werkzeug 3 befestigt werden bzw. von dem das Werkzeug gelöst werden kann. Der Spindelkopf 1 kann über einen Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus 4 nach oben und unten bewegt werden. Der Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus 4 ist mit dem Spindelkopf-Antriebsmotor A3 direkt oder über einen Untersetzungsmechanismus gekoppelt, so dass der Spindelkopf 1 nach oben und unten bewegt werden kann, wenn sich der Spindelkopf-Antriebsmotor A3 dreht. Das Bezugszeichen SM bezeichnet einen Spindelmotor, der angesteuert wird, damit er die Spindel (und das Werkzeug) dreht.
In dieser ersten Ausführungsform der Werkzeugmaschine wird das Werkzeuggewicht bei einem Antriebszustand des Spindelkopf-Antriebsmotors A3 geschätzt, bei dem der Spindelkopf 1 im stillstehenden Zustand gehalten wird. Steht der Spindelkopf still, so trägt der Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus 4 eine Schwerkraft (M + m)g, die auf den Spindel- und Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus wirkt, wobei M das Gewicht des Spindelkopfs für sich allein und m das Gewicht des Werkzeugs darstellt. In diesem Augenblick wird ein Lastdrehmoment T an den Spindelkopf-Antriebsmotor A3 angelegt, um zu verhindern, dass sich der Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus 4 dreht. Ändert sich das Werkzeuggewicht m, so ändert sich das Lastdrehmoment T des Spindelkopf-Antriebsmotors A3 ebenfalls. Das Werkzeuggewicht wird mit dieser Anordnung geschätzt.
Verschiedene Werkzeugtypen mit unterschiedlichen Gewichten werden in den Spindelkopf eingesetzt, und die Verknüpfungsdaten zwischen den Werkzeuggewichten m₁ bis m_n und den Lastdrehmomenten T₁ bis T_n werden vorab aufgezeichnet. Anstelle dieser Werkzeuge können eine Anzahl Platzhalter mit unterschiedlichen Gewichten in den Spindelkopf eingesetzt werden, und die Verknüpfungsdaten dafür können aufgenommen werden. Diese Verknüpfungsdaten werden im Weiteren als „Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten“ bezeichnet. Beim Schätzen des Werkzeuggewichts wird das tatsächliche Lastdrehmoment T zuerst erfasst. Nun werden die Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten durchsucht. Ein Lastdrehmoment T_i, das nahe am tatsächlichen Lastdrehmoment T liegt, wird gewählt. Anschließend wird das (Werkzeug-)Gewicht m_i, das zu dem Lastdrehmoment T_i gehört, als Schätzwert m des Werkzeuggewichts festgelegt. Das Werkzeuggewicht kann man auch durch Interpolation zwischen den Lastdrehmomenten über und unter dem erfassten Lastdrehmoment T in den Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten erhalten.
In der ersten Ausführungsform wird ein Beispiel erläutert, in dem der Spindelkopf in der vertikalen Richtung bewegt wird. Der Bereich der Erfindung ist jedoch nicht hierauf eingeschränkt. Die Bewegungsrichtung des Spindelkopfs kann auch eine andere Richtung sein, die jedoch nicht die horizontale Richtung ist. Für den Fall, dass die Bewegungsrichtung des Spindelkopfs eine Richtung ist, die nicht die horizontale Richtung ist, werden, da der Spindelkopf-Antriebsmotor A3 einer vom Gewicht des eingesetzten Werkzeugs abhängigen Last ausgesetzt ist, damit der Spindelkopf im stillstehenden Zustand gehalten wird, die Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten m₁ bis m_n der verschiedenen in die Spindel eingesetzten Werkzeuge (oder Platzhalter) und den Lastdrehmomenten T₁ bis T_n, die in diesem Augenblick auf den Spindelkopf-Antriebsmotor A3 einwirken (die Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten) aufgezeichnet, damit das Werkzeuggewicht anhand der gespeicherten Daten und des erfassten Lastdrehmoments T geschätzt werden kann.
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Controllers, der den Betrieb der Werkzeugmaschine der ersten Ausführungsform steuert. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet eine numerische Steuervorrichtung, die eine Steuervorrichtung ist, die die Werkzeugmaschine steuert, in der eine CPU 20, d. h. ein Prozessor zum Steuern der gesamten numerischen Steuervorrichtung 10, über einen Bus 29 mit einem Speicher 21, den Schnittstellen 22, 23, diversen Achsensteuerschaltungen 24, programmierbaren Maschinencontrollern (PMC) 26 und einer Spindelsteuerschaltung 27 verbunden sind.
Die CPU 20 liest ein Systemprogramm, das in einem ROM des Speichers 21 abgelegt ist, über den Bus 29 und steuert die gesamte numerische Steuervorrichtung 10 gemäß dem Systemprogramm. Der Speicher 21 besteht aus dem ROM, einem RAM, einem nicht flüchtigen Speicher usw. Im ROM ist das Systemprogramm usw. abgelegt. Im RAM werden temporäre Berechnungsdaten, Anzeigedaten und verschiedene Daten gespeichert, die über eine Anzeigevorrichtung und manuelle Dateneingabeeinheit 9 eingegeben werden. Der nicht flüchtige Speicher besteht aus einem SRAM, das von einer Batterie gestützt wird, und speichert Programme zum Schätzen des Werkzeuggewichts, die zu dieser ersten Ausführungsform gehören. Die Verknüpfungsdaten zwischen den Lastdrehmomenten T₁ bis T_n und den Werkzeuggewichten m₁ bis m_n (die Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten), die wie beschrieben vorab gemessen werden, sind ebenfalls im nicht flüchtigen Speicher hinterlegt.
Die Schnittstelle 23 ermöglicht den Anschluss an eine externe Vorrichtung. Der PMC 26 ist mit einer Hilfsvorrichtung verbunden, beispielsweise einem Werkzeugwechsler der Werkzeugmaschine, und zwar über ein Folgeprogramm, das sich in der numerischen Steuervorrichtung 10 befindet.
Die Schnittstelle 22 ist mit der Anzeigevorrichtung und manuellen Dateneingabeeinheit 9 verbunden, die aus einer Flüssigkristall- oder Kathodenstrahlröhren-Vorrichtung und einer manuellen Eingabeeinheit besteht, etwa einer Tastatur. Die Achsensteuerschaltungen 24₁ bis 24₃, die die Vorschubwellen auf der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse kontrollieren, empfangen jeweils eine Bewegungsbefehlsgröße für jede Vorschubwelle von der CPU 20. Sie geben einen Vorschubwellenbefehl für jeden Servoverstärker 25₁ bis 25₃ aus, damit die Vorschubwellen-Servomotoren A₁ bis A₃ angesteuert werden. In dieser Ausführungsform stellt der Z-Achsen-Vorschubwellen-Servomotor A3 den Spindelkopf-Antriebsmotor dar.
Die Achsensteuerschaltungen 24₁ bis 24₃ weisen Positionsschleifen-, Drehzahlschleifen- und Stromschleifenregler für die Rückführregelung der Positionen, Drehzahlen und Ströme abhängig von den Positions-, Drehzahl- und Stromrückführsignalen der Positions/Drehzahl-Detektoren und der Stromdetektoren auf, die sich jeweils in den Servomotoren A₁ bis A₃ befinden, damit Position, Drehzahl und Strom (Antriebsdrehmoment) geregelt werden.
Die Spindelsteuerschaltung 27 gibt als Reaktion auf einen Spindeldrehzahlbefehl von der CPU 20 ein Spindeldrehzahlsignal an einen Spindelverstärker 28 aus. Der Spindelverstärker 28 bringt den Spindelmotor SM als Reaktion auf das Spindeldrehzahlsignal auf die befohlene Drehzahl (Anzahl der Umdrehungen). Die Drehzahl wird über eine Rückführung so geregelt, dass die Drehzahl mit dem Spindeldrehzahlbefehl übereinstimmt, und zwar als Reaktion auf einen Rückführimpuls, der vom Positionsgeber (nicht dargestellt) synchron zur Drehung zurückgeführt wird.
Der Aufbau der numerischen Steuervorrichtung gleicht einer numerischen Steuervorrichtung, die eine herkömmliche Werkzeugmaschine steuert, jedoch mit der Ausnahme, dass im Speicher 21 die Programme abgelegt sind, die dazu dienen, das Werkzeuggewicht zu schätzen, und der Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten der eingesetzten Objekte (m₁ bis m_n) und den Lastdrehmomenten (T₁ bis T_n), die vorab gemessen werden.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Algorithmus einer Werkzeuggewicht-Schätzprozedur der ersten Ausführungsform, bei der es sich um das Programm handelt, das dazu dient, das Werkzeuggewicht zu schätzen.
Ist das Werkzeug 3 in den Werkzeuggreifer 2 eingesetzt und wird ein Werkzeuggewicht-Schätzbefehl von der Anzeigevorrichtung und manuellen Dateneingabeeinheit 9 eingegeben, während die Spindel stillsteht, so beginnt die CPU 20 die Prozedur in 3. Ein Betriebsstrom des Spindelkopf-Antriebsmotors A3 (Z-Achsen-Motor), der vom Stromdetektor erfasst und auf die Achsensteuerschaltung 24₃ für den Betriebsstrom des Spindelkopf-Antriebsmotors A3 (Z-Achsen-Motor) zurückgeführt wird, wird gelesen (Schritt a1). Das Lastdrehmoment T wird abhängig von dem gelesenen Betriebsstrom gewonnen (Schritt a2). In der ersten Ausführungsform bildet die Prozedur in den Schritten a1 und a2 eine Lastdrehmoment-Erfassungseinheit, in der der Betriebsstrom des Spindelkopf-Antriebsmotors A3 (Z-Achsen-Motor) gelesen wird und das Lastdrehmoment T aus diesem Betriebsstrom gewonnen wird.
Aus den vorab gespeicherten Verknüpfungsdaten zwischen den Lastdrehmomenten T₁ bis T_n und den Werkzeuggewichten m₁ bis m_n und den Gewichten der eingesetzten Objekte wird ein Lastdrehmoment T_i gewählt, das sehr nahe am erhaltenen Lastdrehmoment T liegt. Anschließend wird das zum Lastdrehmoment T_i gehörende Werkzeuggewicht m_i als Werkzeuggewicht-Schätzwert m erhalten (Schritt a3). In der ersten Ausführungsform besteht die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit aus dieser Prozedur im Schritt a3. Der erhaltene Schätzwert m wird nun als Werkzeuggewicht im Speicher 21 (Schritt a4) abgelegt, und die Werkzeuggewicht-Schätzprozedur endet damit.
Man beachte, dass die erste Ausführungsform ein Beispiel beschreibt, in dem sich der Spindelkopf in vertikaler Richtung (Z-Achsen-Richtung) bewegt, siehe 1. Die Erfindung kann jedoch auch bei einer Werkzeugmaschine angewendet werden, bei der die Bewegungsrichtung des Spindelkopfs eine geneigte Achse aufweist (die Bewegungsrichtung des Spindelkopfs ist jedoch eine Richtung, die nicht die horizontale Richtung ist). Die Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten der eingesetzten Objekte und den Lastdrehmomenten können vorab ermittelt werden, wobei der Spindelkopf in der Werkzeugmaschine mit der geneigten Achse stillsteht. Die Daten können im Speicher 21 abgelegt werden. Nun kann der Werkzeuggewicht-Schätzwert m im Schritt a3 aus den gespeicherten Verknüpfungsdaten erhalten werden.
Zweite Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform werden die Verknüpfungsdaten zwischen den Werkzeuggewichten m₁ bis m_n und den Lastdrehmomenten T₁ bis T_n im Speicher 21 abgelegt. Anschließend wird das Gewicht m des in die Spindel eingesetzten Werkzeugs aus den Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten von eingesetzten Objekten und den Lastdrehmomenten geschätzt. Das Werkzeuggewicht kann jedoch auch aus einem Verknüpfungsausdruck zwischen dem Lastdrehmoment T und dem Werkzeuggewicht m geschätzt werden. Bei der Werkzeugmaschine in 1, bei der die Spindel in vertikaler Richtung bewegt wird, gilt der folgende Verknüpfungsausdruck zwischen dem Lastdrehmoment T des Spindelkopf-Antriebsmotors A3 und dem Werkzeuggewicht m, und zwar bei stillstehendem Spindelkopf. $T = (M + m) gLZ / 2 πη$
wobei gilt:

M: Gewicht des Spindelkopfs;
Z: Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsmechanismus, der sich zwischen dem Spindelkopf-Antriebsmotor und dem Kugelgewindetrieb befindet;
L: Steigung des Kugelgewindetriebs;
η: Wirkungsgrad des Kugelgewindetriebs; und
g: Schwerkraftbeschleunigung.

Durch eine Umformung des Ausdrucks (1) erhält man den folgenden Ausdruck (2): $m = (2 πη T / gLZ) - M$
wobei M, L und Z konstant sind und sich der Wirkungsgrad η des Kugelgewindetriebs durch den Langzeitgebrauch der Werkzeugmaschine ändert, jedoch einen festen Wert annimmt (2πη/gLZ) = K. $m = K \cdot T - M$
Damit wird nach dem Einsetzen des Werkzeugs in die Spindel das Lastdrehmoment T erfasst, wenn der Spindelkopf stillsteht, um das Werkzeuggewicht m zu berechnen.
In der zweiten Ausführungsform kann der Schritt a3 der Werkzeuggewicht-Schätzprozedur in 3 durch die beschriebene arithmetische Verarbeitung (2) oder (3) ersetzt werden.
Man beachte, dass das in der zweiten Ausführungsform beschriebene Beispiel einen Fall erläutert, in dem der Spindelkopf in der vertikalen Richtung bewegt wird. Der Bereich der Erfindung ist jedoch nicht hierauf eingeschränkt. Auch wenn die Richtung, in der die Spindel bewegt wird, gegen die vertikale Richtung geneigt ist, ermöglicht der Gebrauch der Komponenten der Schwerkraft, die auf den Spindelkopf und das Werkzeug in der Spindelkopf-Bewegungsachsenrichtung wirken, die Berechnung des Werkzeuggewichts.
Dritte Ausführungsform
In der ersten und zweiten Ausführungsform können die Komponenten der Schwerkraft, die auf den Spindelkopf und das Werkzeug in der Spindelkopf-Bewegungsachsenrichtung wirken, zum Erfassen des Lastdrehmoments des Spindelkopf-Antriebsmotors verwendet werden, wenn der Spindelkopf stillsteht. Daraus wird das Werkzeuggewicht gewonnen. Ist jedoch die Spindelkopf-Bewegungsachsenrichtung die horizontale Richtung, so muss die Schwerkraft, die auf den Spindelkopf und das Werkzeug wirkt, nicht von dem Kugelgewindetrieb getragen werden, wenn der Spindelkopf stillsteht. Damit kann das Werkzeuggewicht-Schätzverfahren nicht angewendet werden, wenn der Spindelkopf stillsteht. In der dritten Ausführungsform kann das Werkzeuggewicht geschätzt werden, wenn die Spindelkopf-Bewegungsrichtung die horizontale Richtung ist. In der dritten Ausführungsform wird daher das Werkzeuggewicht geschätzt, wenn der Spindelkopf bewegt wird.
4 zeigt eine Skizze eines Spindelkopfs und eines Spindelkopf-Antriebsmechanismus einer Werkzeugmaschine gemäß der dritten Ausführungsform. In diesem Beispiel bewegt der Spindelkopf-Antriebsmotor A2 (Y-Achsen-Vorschubwellen-Servomotor) den Spindelkopf 1 in der horizontalen Richtung. Der Spindelkopf 1 weist den Werkzeuggreifer 2 auf, an dem ein Werkzeug 3 befestigt werden bzw. von dem das Werkzeug gelöst werden kann. Der Spindelkopf 1 kann über einen Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus 4 nach beiden Seiten (Y-Achsen-Richtung bzw. horizontale Richtung) bewegt werden. Der Kugelgewindetrieb des Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus 4 ist mit dem Spindelkopf-Antriebsmotor A2 gekoppelt, so dass der Spindelkopf 1 bewegt werden kann, wenn sich der Spindelkopf-Antriebsmotor A2 dreht. Das Bezugszeichen SM bezeichnet einen Spindelmotor.
Wie bei der in der ersten und zweiten Ausführungsform beschriebenen Steuervorrichtung ist die Steuervorrichtung der Werkzeugmaschine der dritten Ausführungsform wie in der Skizze in 2 aufgebaut. Der Unterschied zu der ersten und zweiten Ausführungsform besteht darin, dass der Spindelkopf-Antriebsmotor der Vorschubwellen-Servomotor in der Richtung der X-Achse oder der Y-Achse ist, die horizontal verlaufen, da sich der Spindelkopf in der horizontalen Richtung bewegt. In dem Beispiel in 4 bildet der Y-Achsen-Vorschubwellen-Servomotor A2 den Spindelkopf-Antriebsmotor.
In der Werkzeugmaschine in 4 ist das Gewicht des Spindelkopfs selbst mit M bezeichnet, das Werkzeuggewicht mit m, die Winkelgeschwindigkeit des Spindelkopf-Antriebsmotors mit co, und die Winkelbeschleunigung des Motors mit α. In diesem Augenblick ist das auf den Spindelkopf-Antriebsmotor A2 wirkende Lastdrehmoment T durch M, m ω und α bestimmt, so lange sich die anderen Betriebsbedingungen nicht ändern. Sind M, m ω und α konstant (gilt nicht für ω = α = 0), so bewirkt allein eine Änderung des Werkzeuggewichts m eine Änderung des Lastdrehmoments T des Spindelkopf-Antriebsmotors.
Werden ausgehend hiervon verschiedene Werkzeugarten mit unterschiedlichen Gewichten m₁ bis m_n jeweils unter der Bedingung in die Spindel eingesetzt, dass der Spindelkopf-Antriebsmotor A2 mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit ω bei einer Winkelbeschleunigung α betrieben wird, so erhält man in der dritten Ausführungsform vorab die Lastdrehmomente T₁ bis T_n, die auf den Spindelkopf-Antriebsmotor A2 wirken, und die Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten m₁ bis m_n und den Lastdrehmomenten T₁ bis T_n werden im Speicher 21 aufgezeichnet. Auch in dieser Ausführungsform kann man die Lastdrehmomente T₁ bis T_n, die auf den Spindelkopf-Antriebsmotor A2 wirken, dadurch erhalten, dass verschiedene Arten von Platzhalter-Werkzeugen, die Gewichte haben, die sich von den Gewichten m₁ bis m_n unterscheiden, in die Spindel eingesetzt werden. Diese Verknüpfungsdaten werden im Weiteren wie in der ersten Ausführungsform als „Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten“ bezeichnet.
Beim der Eingabe des Werkzeuggewicht-Schätzbefehls von der Anzeigevorrichtung und manuellen Dateneingabeeinheit 9 beginnt die CPU 20 mit der in 5 dargestellten Prozedur.
Zunächst gibt die CPU 20 einen Befehl, der der Winkelbeschleunigung α und der Winkelgeschwindigkeit ω zugeordnet ist, an die Achsensteuerschaltung 24₂ des Spindelkopf-Antriebsmotors A2 (Y-Achsen-Vorschubwellen-Servomotor) aus. Die Achsensteuerschaltung 24₂ führt eine Drehzahlschleifenregelung aus, damit die Winkelgeschwindigkeit ω bei der Winkelbeschleunigung α erhalten wird, und sie steuert den Spindelkopf-Antriebsmotor A2 (Y-Achsen-Vorschubwellen-Servomotor) über den Servoverstärker 25₂ an (Schritt b1). Nun wird, wenn die Winkelgeschwindigkeit des Spindelkopf-Antriebsmotors A2, die vom Drehzahldetektor zurückgeführt wird, ω erreicht, der vom Stromdetektor zurückgeführte Betriebsstrom des Spindelkopf-Antriebsmotors A2 gelesen (Schritt b2). Das Lastdrehmoment T wird aus dem gelesenen Betriebsstrom gewonnen (Schritt b3). In der dritten Ausführungsform besteht die Lastdrehmoment-Erfassungseinheit aus den Schritten b2 und b3. Nun wird ein Lastdrehmoment T_i in der Nähe des erhaltenen Lastdrehmoments T aus den Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten m₁ bis m_n und den Lastdrehmomenten T₁ bis T_n ausgewählt, und das Gewicht m_i, das zu dem Lastdrehmoment T_i gehört, wird als Werkzeuggewicht-Schätzwert m erhalten (Schritt b4). Wie in der ersten Ausführungsform kann das Werkzeuggewicht durch eine Interpolation aus dem Lastdrehmomenten über und unter dem Lastdrehmoment T erhalten werden, die den Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten eingesetzter Objekte und den Lastdrehmomenten entnommen werden. In der dritten Ausführungsform bildet die Prozedur im Schritt b4 die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit. Nun wird der erhaltene Schätzwert m als Werkzeuggewicht im Speicher 21 (Schritt b5) abgelegt, und die Werkzeuggewicht-Schätzprozedur endet damit.
In der dritten Ausführungsform ist ein Beispiel erläutert, in dem der Spindelkopf in horizontaler Richtung bewegt wird. Der Bereich der Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Auch dann, wenn die Richtung, in der der Spindelkopf bewegt wird, die vertikale Richtung wie in 2 ist oder gegen die horizontale Richtung geneigt ist, kann das Werkzeuggewicht-Schätzverfahren der dritten Ausführungsform zum Schätzen des Werkzeuggewichts bei bewegtem Spindelkopf angewendet werden.
Vierte Ausführungsform
Wie in der zweiten Ausführungsform kann das Werkzeuggewicht aus den Verknüpfungsausdrücken zwischen dem Werkzeuggewicht m und dem Lastdrehmoment T geschätzt werden, ohne dass die Verknüpfungsdaten zwischen den (Werkzeug-)Gewichten m₁ bis m_n und den Lastdrehmomenten T₁ bis T_n verwendet werden. Für die Werkzeugmaschine in 4, in der der Spindelkopf in horizontaler Richtung bewegt wird, gilt der folgende Verknüpfungsausdruck zwischen dem Lastdrehmoment T und dem Werkzeuggewicht m für den Spindelkopf-Antriebsmotor A2 wenn der Spindelkopf bewegt wird. $T = ((M + m) gL / 2 πη + T_{P}) Z + (J_{1} + Z^{2} (J_{2} + (M + m) {(L / 2 π)}^{2})) α$
wobei bezeichnen:

M: Gewicht des Spindelkopfs;
Z: Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsmechanismus, der sich zwischen dem Spindelkopf-Antriebsmotor und dem Kugelgewindetrieb befindet;
L: Steigung des Kugelgewindetriebs;
η: Wirkungsgrad des Kugelgewindetriebs;
T_P: Reibungsdrehmoment;
J₁: Trägheitsmoment des Motors;
J₂: Trägheitsmoment des Kugelgewindetriebs; und
α: Winkelbeschleunigung der Motorwelle.

Durch Umstellen des Ausdrucks (4) erhält man den folgenden Ausdruck. $m = (T - T_{P} Z - J_{1} α - Z^{2} J_{2} α) / (gLZ / 2 πη + Z^{2} {(L / 2 π)}^{2} α) - M$
Ausgehend von diesem Verknüpfungsausdruck kann das tatsächliche Lastdrehmoment T erfasst werden, das wirkt, wenn der Spindelkopf bewegt wird, und das Werkzeuggewicht m kann berechnet werden. Da die Werte von Z, L, T_p, J₁, J₂ und α konstant sind, wenn sich der Wirkungsgrad η des Kugelgewindetriebs nicht ändert, erhält man aus dem Ausdruck (5) den folgenden Ausdruck (6) mit den festen Werten (gLZ/2πη + Z² (L/2π)²α) = K1 und (T_pZ + J₁α + Z²J₂α) = K2. $m = [(T - K 2) / K 1] - M$
Ausgehend von dem Ausdruck (5) oder (6) kann das Werkzeuggewicht m berechnet und aus dem erfassten Lastdrehmoment T geschätzt werden. In diesem Fall wird der Schritt b4 der Werkzeuggewicht-Schätzprozedur in 5 durch die Prozedur zum Schätzen und Berechnen des Werkzeuggewichts aus dem Ausdruck (5) oder (6) ersetzt.
In der vierten Ausführungsform wird ein Beispiel erläutert, in dem der Spindelkopf in horizontaler Richtung bewegt wird. Der Bereich der Erfindung ist jedoch nicht hierauf eingeschränkt. Auch wenn die Richtung, in der der Spindelkopf bewegt wird, gegen die horizontale Richtung geneigt ist, kann man das Werkzeuggewicht schätzen, indem man dem Verknüpfungsausdruck den Term zufügt, der die Schwerkraft ausdrückt, die auf den Spindelkopf wirkt.
In der vorstehenden ersten bis vierten Ausführungsform wird das Lastdrehmoment T erfasst und das Werkzeuggewicht m geschätzt, und zwar abhängig vom Lastdrehmoment T, wobei man das Lastdrehmoment T durch Multiplizieren einer Drehmomentkonstante mit einem Betriebsstrom I erhält, da das Lastdrehmoment und der Betriebsstrom I zueinander proportional sind. Anstatt die Verknüpfungsdaten zwischen den (Werkzeug-)Gewichten m₁ bis m_n und den Lastdrehmomenten T₁ bis T_n zu speichern kann man die Verknüpfungsdaten zwischen den (Werkzeug-)Gewichten m₁ bis m_n und den Betriebsströmen l₁ bis l_n vorab speichern. Anschließend kann der Strom I gelesen werden, um das Werkzeuggewicht m abhängig von den Verknüpfungsdaten zwischen den (Werkzeug-)Gewichten m₁ bis m_n und den Betriebsströmen l₁ bis l_n zu schätzen. In diesem Fall kann man, ohne die Schritte a2 und b3 der Prozeduren in 3 und 5 auszuführen, die Schritte a3 und b4 ausführen, um den Schätzwert m des Werkzeuggewichts aus dem im Schritt a1 oder b2 gelesenen Betriebsstrom I und den Verknüpfungsdaten zwischen Werkzeuggewichten m₁ bis m_n und Betriebsströmen l₁ bis l_n zu erhalten.
Das Werkzeuggewicht kann geschätzt werden, indem man anstelle des Lastdrehmoments T die Drehmomentkonstante mit dem erfassten Betriebsstrom I multipliziert und die Ausdrücke (2) und (3) oder die Ausdrücke (5) und (6) verwendet. Zudem können die Achsensteuerschaltungen 24₁ bis 24₃, die die Servomotoren der jeweiligen Achsen steuern, die die Spindelkopf-Antriebsmotoren aufweisen, jeweils einen Drehmomentbefehl aus dem Drehzahlschleifenregler an den Stromschleifenregler ausgeben. Diese Drehmomentbefehle können als Lastdrehmomente genommen werden.
Es ist eine Werkzeuggewicht-Speichereinheit vorhanden, in der Daten über die Verknüpfung zwischen vorgenannten geschätzten Gewichten der in den Spindelkopf eingesetzten Werkzeuge und den Werkzeugnummern im Werkzeugmagazin gespeichert sind, in dem sich die Werkzeuge befinden. Mit dieser Speichereinheit kann die Information über ein bestimmtes Werkzeug mit einem bestimmten Gewicht, das sich an einer bestimmten Position im Werkzeugmagazin befindet, in der Steuervorrichtung gespeichert werden. Beispielsweise wird im Schritt a4 der Werkzeuggewicht-Schätzprozedur in 3 oder im Schritt b5 der gleichen Prozedur in 5 der geschätzte Wert m des Werkzeuggewichts der zugehörigen Werkzeugnummer im Werkzeugmagazin zugewiesen. Diese Zuweisung wird gespeichert. Dadurch kann der Betrieb des Werkzeugwechslers geeignet konfiguriert werden, indem die Daten über die Positionen und Gewichte der Werkzeuge im Werkzeugmagazin verwendet werden. Zudem können die zu den Werkzeugnummern gehörenden Werkzeuggewichtsdaten erzeugt werden, ohne dass die Daten direkt eingegeben werden müssen, wodurch man erreicht, dass der Betrieb des Werkzeugwechslers gemäß den Positionen und Gewichten der Werkzeuge geeignet konfiguriert wird.
Beim Berechnen und Schätzen des Werkzeuggewichts m aus dem Verknüpfungsausdruck ((2), (3), (5), (6)) zwischen dem Lastdrehmoment T (oder dem Betriebsstrom I) und dem Werkzeuggewicht wie in der zweiten und vierten Ausführungsform können sich die im Verknüpfungsausdruck verwendeten Konstanten ändern. Durch den langanhaltenden Gebrauch der Werkzeugmaschine verschleißt der Spindelkopf-Antriebsmechanismus, und der Wirkungsgrad und das Reibungsdrehmoment ändern sich. Folglich ändern sich einige der verwendeten Konstanten des Verknüpfungsausdrucks zwischen dem Lastdrehmoment des Motors und dem Werkzeuggewicht ebenfalls, und es ist nicht mehr möglich, das korrekte Werkzeuggewicht zu berechnen. Daher wird ein Werkzeug mit bekanntem Gewicht in den Spindelkopf eingesetzt, das Lastdrehmoment des Spindelkopf-Antriebsmotors wird mit dem Verfahren ermittelt, das in der zweiten und vierten Ausführungsform beschrieben wurde, und die Konstanten des Verknüpfungsausdrucks zwischen dem Werkzeuggewicht m und dem erfassten Lastdrehmoment T werden so korrigiert, dass man die Verknüpfungen gemäß den Ausdrücken (1) bis (3) oder (4) bis (6) erhält.
Beispielsweise werden Veränderungen des Wirkungsgrads η des Kugelgewindetriebs in die Verknüpfungsausdrücke (2) und (3) zwischen dem Motorlastdrehmoment und dem Werkzeuggewicht einbezogen, wenn der Spindelkopf der Werkzeugmaschine in 1 stillsteht. Es gilt der folgende Ausdruck (2) oder (3) zwischen dem bekannten Werkzeuggewicht m und dem erfassten Lastdrehmoment T. $m = (2 πη T / gLZ) - M$
$m = K \cdot T - M$
Man erhält den Verknüpfungsausdruck (2) oder (3) durch Verändern von η im Ausdruck (2) oder von K im Ausdruck (3). Die Konstanten im Verknüpfungsausdruck (2) oder (3) können auf diese Weise korrigiert werden und erlauben es dem Spindelkopf-Antriebsmechanismus, die Alterung der Werkzeugmaschine zu tolerieren.
Erhält man das Lastdrehmoment zum Bewegen des Spindelkopfs und berechnet und schätzt man das Werkzeuggewicht mit Hilfe des Ausdrucks (5) oder (6) wie in der vierten Ausführungsform, so kann ein Werkzeug mit bekanntem Gewicht in den Spindelkopf eingesetzt werden. Das Lastdrehmoment T zum Bewegen des Spindelkopfs mit der Winkelbeschleunigung α bei der Winkelgeschwindigkeit ω kann erfasst werden. Die Konstanten im Ausdruck (5) oder (6) können geändert und korrigiert werden, damit man den Ausdruck (5) oder (6) zwischen dem Werkzeuggewicht m und dem erfassten Lastdrehmoment T erhält.
Mit diesem Werkzeuggewicht-Schätzverfahren kann man auch Störungen usw. im Spindelkopf-Antriebsmechanismus und den Werkzeugen erfassen.
Beim Anwenden des beschriebenen Verfahrens wird das Werkzeuggewicht für ein Werkzeug mit bekanntem Gewicht geschätzt, und es wird eine Warnung erzeugt, wenn die Differenz zwischen dem geschätzten Wert und dem tatsächlichen Werkzeuggewicht größergleich einem vorbestimmten Wert ist. Auf diese Weise kann man Störungen des Spindelkopf-Antriebsmechanismus finden. In diesem Fall kann der Schritt a4 der Prozedur in 3 oder der Schritt b5 der Prozedur in 5 durch eine Prozedur ersetzt werden, die feststellt, ob die Differenz zwischen dem geschätzten Werkzeuggewicht m und dem tatsächlichen bekannten Gewicht des Werkzeugs größergleich einem festen Wert ist. Eine Warnung wird auf der Anzeigevorrichtung und manuellen Dateneingabeeinheit 9 dargestellt, wenn die Differenz größergleich dem vorbestimmten Wert ist.
Im Fall dass die auf den Motor wirkende Last bezüglich des tatsächlichen Werkzeuggewichts groß ist, beispielsweise weil Fremdmaterial am Kugelgewindetrieb haftet, wird das Werkzeuggewicht größer geschätzt als das tatsächliche Gewicht. Das Erkennen einer derartigen Störung und das Erzeugen einer Warnung ermöglicht die frühzeitige Aufdeckung von Problemen bevor in der Werkzeugmaschine ernsthafte Schwierigkeiten entstehen.
Zudem kann das geschätzte Werkzeuggewicht mit einem Werkzeuggewicht verglichen werden, das in der Werkzeuggewicht-Speichereinheit hinterlegt ist, in der die Werkzeuggewichtsdaten zugeordnet zu den Werkzeugnummern im Werkzeugmagazin gespeichert sind. Ist die Differenz dazwischen größergleich dem vorbestimmten Wert, so kann eine Meldung oder ein Alarm erzeugt werden, um die Bedienperson zu fragen, ob das Werkzeug getauscht wird. Wird das Werkzeug nicht gewechselt, so droht der Bruch des Werkzeugs oder eine Störung des Antriebssystems. Diese Funktion ermöglicht eine frühzeitige Aufdeckung solcher Probleme. In diesem Fall kann der Schritt a4 der Prozedur in 3 oder der Schritt b5 der Prozedur in 5 durch eine Prozedur ersetzt werden, die die Differenz zwischen dem geschätzten Werkzeuggewicht und dem in der Werkzeuggewicht-Speichereinheit hinterlegten Werkzeuggewicht, die zu dem zu verwendenden Werkzeug gehört, feststellt. Es wird geprüft, ob die Differenz größergleich dem festen Wert ist, und es wird eine Meldung angezeigt oder ein Alarm erzeugt, die bzw. der einen Austausch des Werkzeugs fordert, falls die Differenz größergleich dem festen Wert ist. Führt man die Prozedur in 3 oder 5 mit dem neuen Schritt a4 oder b5 bei jedem Werkzeugwechsel aus, so können Störungen am Werkzeug und am Spindelkopf-Antriebsmechanismus erkannt werden.
In allen vorstehenden Ausführungsformen ist eine Werkzeugmaschine erläutert, bei der der Spindelkopf-Antriebsmechanismus von einem Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus und einem rotierenden Motor angetrieben wird. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann auch in einer Werkzeugmaschine, in der ein Linearmotor zum Bewegen des Spindelkopfs verwendet wird, das Schätzen des Werkzeuggewichts aus der Last, die auf den Spindelkopf-Antriebsmotor wirkt, das Korrigieren des Verknüpfungsausdrucks zwischen der Motorlast und dem Werkzeuggewicht abhängig vom geschätzten Werkzeuggewicht und das Erkennen einer Störung im Antriebssystem des Werkzeugs verwirklicht werden.

Claims

Werkzeugmaschine mit einem Spindelkopf (1), an dem ein Werkzeug (3) angebracht werden kann und von dem das Werkzeug (3) gelöst werden kann, und einem Spindelkopf-Antriebsmotor (A3), der den Spindelkopf (1) in eine Richtung bewegen kann, die nicht die horizontale Richtung ist, wobei die Werkzeugmaschine umfasst: eine Lastdrehmoment-Erfassungseinheit, die dafür ausgelegt ist, ein Lastdrehmoment zu erfassen, das auf den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) wirkt; eine Datenspeichereinheit (21), die dafür ausgelegt ist, vorab einen Zusammenhang zwischen einem Gewicht eines Werkzeugs, das in den Spindelkopf (1) eingesetzt ist, und einem Lastdrehmoment, das bei einem vorbestimmten Antriebszustand auf den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) wirkt, hinsichtlich einer Mehrzahl Objekte mit unterschiedlichen Gewichten zu erhalten, und den Zusammenhang als Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten zu speichern; und eine Werkzeuggewicht-Schätzeinheit, die dafür ausgelegt ist, ein Lastdrehmoment des Spindelkopf-Antriebsmotors (A3) bei dem vorbestimmten Antriebszustand zu erfassen, wenn das Werkzeug (3) in den Spindelkopf (1) eingesetzt ist, und zwar mit Hilfe der Lastdrehmoment-Erfassungseinheit, und das Gewicht des in den Spindelkopf (1) eingesetzten Werkzeugs (3) abhängig von dem erfassten Lastdrehmoment und den Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten eingesetzter Objekte und Lastdrehmomenten, die in der Datenspeichereinheit (21) abgelegt sind, zu schätzen.
Werkzeugmaschine mit einem Spindelkopf (1), an dem ein Werkzeug (3) angebracht werden kann und von dem das Werkzeug (3) gelöst werden kann, und einem Spindelkopf-Antriebsmotor (A3), der den Spindelkopf (1) in eine Richtung bewegen kann, die nicht die horizontale Richtung ist, wobei die Werkzeugmaschine umfasst: eine Lastdrehmoment-Erfassungseinheit, die dafür ausgelegt ist, ein Lastdrehmoment (T) zu erfassen, das auf den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) wirkt; eine Datenspeichereinheit (21), die dafür ausgelegt ist, einen Verknüpfungsausdruck zwischen einem Gewicht eines Werkzeugs (3), das in den Spindelkopf (1) eingesetzt ist, und einem Lastdrehmoment, das bei einem vorbestimmten Antriebszustand auf den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) wirkt, zu speichern; und eine Werkzeuggewicht-Schätzeinheit, die dafür ausgelegt ist, unter Verwendung eines Verknüpfungsausdrucks zwischen einem Gewicht eines Werkzeugs (3), das in den Spindelkopf (1) eingesetzt ist, und einem Lastdrehmoment, das bei einem vorbestimmten Antriebszustand auf den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) wirkt, und abhängig von dem Lastdrehmoment, das die Lastdrehmoment-Erfassungseinheit bei dem vorbestimmten Antriebszustand erfasst, das Gewicht des in den Spindelkopf (1) eingesetzten Werkzeugs (3) zu berechnen und zu schätzen.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 1, umfassend: eine Betriebsstrom-Erfassungseinheit, die dafür ausgelegt ist, einen Betriebsstromwert für den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) zu erfassen, und zwar anstelle der Lastdrehmoment-Erfassungseinheit, und dass ein Betriebsstrom des Spindelkopf-Antriebsmotors (A3) anstelle des Lastdrehmoments gewonnen wird, dass Verknüpfungsdaten zwischen Gewichten von eingesetzten Objekten und Betriebsstromwerten vorab in der Datenspeichereinheit (21) abgelegt werden, und zwar anstelle der Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten von eingesetzten Objekten und Lastdrehmomenten, und dass die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit das Gewicht des in den Spindelkopf (1) eingesetzten Werkzeugs (3) unter Verwendung der Verknüpfungsdaten zwischen den Gewichten von eingesetzten Objekten und Betriebsstromwerten und abhängig vom Betriebsstromwert schätzt, den die Betriebsstrom-Erfassungseinheit erfasst.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, umfassend: eine Betriebsstrom-Erfassungseinheit, die dafür ausgelegt ist, einen Betriebsstromwert für den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) zu erfassen, und zwar anstelle der Lastdrehmoment-Erfassungseinheit, und dass die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit den Verknüpfungsausdruck zwischen dem Gewicht des Werkzeugs (3) und dem Betriebsstromwert anstelle des Verknüpfungsausdrucks zwischen dem Werkzeuggewicht und dem Lastdrehmoment verwendet, und dass sie das Gewicht des Werkzeugs (3), das in den Spindelkopf (3) eingesetzt ist, abhängig von diesem Verknüpfungsausdruck und dem Betriebsstromwert schätzt, den die Betriebsstrom-Erfassungseinheit erfasst.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2, umfassend: einen Spindelkopf (1), der in einer vertikalen Richtung bewegt wird, und einen Kugelgewindetrieb/Mutter-Mechanismus, der dafür ausgelegt ist, den Spindelkopf (1) zu bewegen, wobei die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit dafür ausgelegt ist, ein Werkzeuggewicht m zu berechnen und zu schätzen, und zwar mit Hilfe eines Lastdrehmoments des Spindelkopf-Antriebsmotors (A3) bei stillstehendem Spindelkopf (1) ausgehend von dem folgenden Verknüpfungsausdruck: $m = 2 πη T / gLZ - M$
wobei T das Lastdrehmoment des Spindelkopf-Antriebsmotors (A3) bei stillstehendem Spindelkopf (1) darstellt, M das Gewicht des Spindelkopfs (1), Z das Untersetzungsverhältnis eines Untersetzungsmechanismus, der sich zwischen dem Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) und einem Kugelgewindetrieb befindet, L eine Steigung des Kugelgewindetriebs, η einen Wirkungsgrad des Kugelgewindetriebs, und g die Schwerkraftbeschleunigung.
Werkzeugmaschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: ein Werkzeugmagazin, das dafür ausgelegt ist, eine Anzahl Werkzeuge (3) aufzubewahren, die am Spindelkopf (1) befestigt und davon gelöst werden, und das die Werkzeuge (3) mit Hilfe von Werkzeugnummern verwaltet; und eine Werkzeuggewicht-Eingabeeinheit, die dafür ausgelegt ist, dass sie eine Werkzeuggewichtsdaten-Speichereinheit veranlasst, eine Zuordnung zwischen dem Gewicht des Werkzeugs (3), das die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit schätzt, und den Werkzeugnummern der im Werkzeugmagazin gelagerten Werkzeuge (3) zu speichern.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 2 oder 5, zudem umfassend: eine Korrektureinheit, die dafür ausgelegt ist, den Verknüpfungsausdruck zwischen dem Gewicht des Werkzeugs (3) und dem Lastdrehmoment abhängig von einem Lastdrehmoment, das bei dem vorbestimmten Antriebszustand auf den Spindelkopf-Antriebsmotor (A3) wirkt und von der Lastdrehmoment-Erfassungseinheit erfasst wird, wenn ein Werkzeug (3) mit bekanntem Gewicht eingesetzt ist, und abhängig vom Gewicht des Werkzeugs (3) zu korrigieren.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 4, weiterhin umfassend: eine Korrektureinheit, die dafür ausgelegt ist, den Verknüpfungsausdruck zwischen dem Gewicht des Werkzeugs (3) und dem Betriebsstromwert abhängig vom Betriebsstromwert des Spindelkopf-Antriebsmotors (A3) bei dem vorbestimmten Antriebszustand, der von der Betriebsstrom-Erfassungseinheit erfasst wird, wenn ein Werkzeug (3) mit bekannten Gewicht eingesetzt ist, und abhängig vom Gewicht des Werkzeugs (3) zu korrigieren.
Werkzeugmaschine nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8 auch umfassend: eine Gewichtsvergleichseinheit, die das Werkzeuggewicht mit der Werkzeuggewicht-Schätzeinheit schätzt, wenn ein Werkzeug (3) mit bekanntem Gewicht eingesetzt ist, und die das geschätzte Werkzeuggewicht mit dem tatsächlichen Werkzeuggewicht vergleicht, um die Differenz zwischen diesen Werten zu erhalten; und eine Alarmeinheit, die eine Meldung anzeigt oder eine Warnung erzeugt, falls die Differenz zwischen den Gewichten größergleich einem vorbestimmten Wert ist.
Werkzeugmaschine nach Anspruch 6, ferner umfassend: eine Gewichtsvergleichseinheit, die dafür ausgelegt ist, einen Wert des Gewichts eines Werkzeugs (3), den die Werkzeuggewicht-Schätzeinheit schätzt, wenn das Werkzeug (3) aus dem Werkzeugmagazin entnommen und in den Spindelkopf (1) eingesetzt wurde, mit dem Werkzeuggewicht zu vergleichen, das in der Werkzeuggewichtsdaten-Speichereinheit abgelegt ist, um die Differenz zwischen diesen Werten zu erhalten; und dass die Werkzeugmaschine dafür ausgelegt ist, eine Meldung anzuzeigen oder eine Warnung zu erzeugen, falls die Differenz zwischen den Gewichten größergleich einem vorbestimmten Wert ist.