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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einer Drehwellenvorrichtung z. B. zum Durchführen einer maschinellen Bearbeitung während ein Werkzeug oder ein Werkstück gedreht wird.
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Konventionell ist es üblich, in einer Werkzeugmaschine, die eine maschinelle Bearbeitung während der Drehung einer Drehwelle durchführt, um eine Zustandsdiagnose oder Bearbeitungsdiagnose der Werkzeugmaschine selbst durchzuführen, Vibrationen, Antriebskräfte und ähnliches während des Betriebs zu messen und eine Diagnose auf der Grundlage eines Messergebnis durchzuführen. Zum Beispiel im Falle, dass ein Werkzeug an der Drehwelle befestigt ist und ein Werkstück zerspant wird, wird die Antriebskraft der Drehwelle während der Zerspanung gemessen, wodurch die Spanmenge (cutting amount) identifiziert werden kann und der Zustand der Zerspanungsmaschine detektiert werden kann.
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In der Erfindung, beschrieben in der
japanischen Offenlegungsschrift mit der Veröffentlichungsnummer 2004-126956 , wird die während der Zerspanung aufgetretene Antriebskraft berechnet, basierend auf einem Spanvolumen, berechnet aus Formdaten eines Bearbeitungsziels und eines Bearbeitungswegs, und der Materialqualität eines Werkstücks, und die berechnete Antriebskraft wird mit einer tatsächlichen gemessenen Antriebskraft verglichen, um ungewöhnliche Bearbeitungen zu detektieren.
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In der Erfindung, beschrieben in der
japanischen Offenlegungsschrift mit der Veröffentlichungsnummer 2012-254499 , im Falle, dass eine maschinelle Bearbeitung wiederholt durchgeführt wird, wird die Antriebskraft der letztes Mal durchgeführten normalen Bearbeitung mit der Antriebskraft, gemessen in der Bearbeitung dieses Mal, verglichen, um ungewöhnliche Bearbeitungen zu detektieren.
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Darüber hinaus wurde in den letzten Jahren, neben der Antriebskraft einer Drehwelle, durch Befestigung eines Vibrationssensors oder eines AE-Sensors auf jedes Teil der Werkzeugmaschine oder durch Verwendung eines Wegsensors, versucht, ein an der Werkzeugmaschine auftretendes Phänomen klarer zu messen.
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Um jedoch in den herkömmlichen Verfahren eine Änderung eines gewünschten Phänomens zu detektieren, zum Beispiel eines Zyklus, in dem die Drehwelle angetrieben wird oder eine Zerspanung durchgeführt wird, oder eines Vibrationszyklus, das einem Lager oder einer Führungskomponente eigen ist, ist es erforderlich, die Messung mit einem extrem kurzen Abfragezyklus durchzuführen. Zum Beispiel im Falle, dass eine Zerspanung unter Verwendung eines Drehwerkzeugs mit sechs Spanklingen durchgeführt wird und die Änderung in der Antriebskraft jeder Klinge gemessen werden soll, falls die Drehgeschwindigkeit 10000 min–1 beträgt, ist ein Spanzyklus 100 μsec. Daher muss der Abfragezyklus kleiner als 10 μsec sein, um zehn Punkte für jede Spanklinge abzufragen. Falls eine solche Hochgeschwindigkeitsabfrage notwendig ist, besteht ein Problem, dass sich die Kosten der Messung und der Analyse erhöhen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zu Grunde, eine Werkzeugmaschine zu schaffen, die in der Lage ist, ein genaues Messergebnis, bezüglich der Änderung eines an einer Drehwellenvorrichtung auftretenden Phänomens, mit niedrigen Kosten zu erhalten, ohne das Durchführen von Abfragen mit einem extrem kurzen Zyklus wie in dem herkömmlichen Fall.
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Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe in einer Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 oder 2. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Unteranspruch 3 erhalten.
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Um die obige Aufgabe zu lösen, ist eine Werkzeugmaschine gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen. Die Werkzeugmaschine weist eine Drehwellenvorrichtung einschließlich einer Drehwelle, einen Sensor, befestigt an der Drehwellenvorrichtung und derart konfiguriert, um Informationen über ein Phänomen zu gewinnen, das an der Drehwellenvorrichtung periodisch und synchron mit der Drehung der Drehwelle auftritt, und eine Steuervorrichtung, derart konfiguriert, um den Betrieb der Drehwellenvorrichtung zu steuern und Informationen über den Sensor zu gewinnen, auf. Wenn eine maschinelle Bearbeitung während der Drehung der Drehwelle durchgeführt wird, kann die Steuervorrichtung bestimmen, ob sich die Bearbeitung in einem stabilen Zustand befindet oder nicht, in dem keine Änderung in einem für die Betriebssteuerung der Drehwellenvorrichtung relevanten Befehl auftritt. Wenn die Bearbeitung in einem stabilen Zustand ist, kann die Steuervorrichtung Informationen über den Sensor mit einem vordefiniteren Abfragezyklus erhalten, die erhaltenen Informationen mit einer Drehphase der Drehwelle zuordnen, und die Änderung des Phänomens in einem Zyklus berechnen, basierend auf den für eine Vielzahl von Drehungen der Drehwelle gewonnenen Informationen.
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Um die obige Aufgabe zu lösen, ist eine Werkzeugmaschine gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung vorgesehen. Die Werkzeugmaschine weist eine Drehwellenvorrichtung einschließlich einer Drehwelle, einen Sensor, befestigt an der Drehwellenvorrichtung und derart konfiguriert, um Informationen über ein Phänomen zu gewinnen, das an der Drehwellenvorrichtung periodisch und synchron mit der Drehung der Drehwelle auftritt, und eine Steuervorrichtung, derart konfiguriert, um den Betrieb der Drehwellenvorrichtung zu steuern und Informationen über den Sensor zu gewinnen, auf. Wenn eine maschinelle Bearbeitung während der Drehung der Drehwelle durchgeführt wird, kann die Steuervorrichtung bestimmen, ob sich die Bearbeitung in einem stabilen Zustand befindet oder nicht, in dem keine Änderung in dem Bearbeitungszustand auftritt. Wenn die Bearbeitung in einem stabilen Zustand ist, kann die Steuervorrichtung Informationen über den Sensor mit einem vordefiniteren Abfragezyklus erhalten, die erhaltenen Informationen mit einer Drehphase der Drehwelle zuordnen, und die Änderung des Phänomens in einem Zyklus berechnen, basierend auf den für eine Vielzahl von Drehungen der Drehwelle gewonnenen Informationen.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung auf der Grundlage des zweiten Aspekts ist eine Werkzeugmaschine vorgesehen, in der ein Werkzeug oder ein Werkstück an der Drehwelle befestigt ist. Eine Spanmenge (cutting amount) des Werkstücks kann aus Informationen über eine vorbestimmte Form des Werkstücks, einen Bearbeitungsweg des Werkzeugs relativ zu dem Werkstück, und die Koordinate eines aktuellen Befehls, berechnet werden, und es kann auf der Grundlage einer Tatsache, dass die Spanmenge konstant ist, bestimmt werden, dass sich die maschinelle Bearbeitung im stabilen Zustand befindet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn eine maschinelle Bearbeitung während der Drehung einer Drehwelle durchgeführt wird, bestimmt die Steuervorrichtung, ob sich die Bearbeitung im stabilen Zustand befindet oder nicht, in dem keine Änderung in einem für die Bearbeitungssteuerung der Drehwellenvorrichtung relevanten Befehl auftritt (erster Aspekt), oder bestimmt die Steuervorrichtung, ob sich die Bearbeitung im stabilen Zustand befindet oder nicht, in dem keine Änderung in dem Bearbeitungszustand auftritt (zweiter Aspekt). Wenn die Bearbeitung im stabilen Zustand ist, erhält die Steuervorrichtung Informationen über den Sensor mit einem vordefinierten Abfragezyklus, ordnet die erhaltenen Informationen mit einer Drehphase der Drehwelle zu, und berechnet die Änderung des Phänomens eines Zyklus, basierend auf den für eine Vielzahl von Drehung der Drehwelle gewonnenen Informationen. Daher kann zum Beispiel, bezüglich eines sich mit Hochgeschwindigkeit ändernden Phänomens, wie beispielsweise eine Änderung der Antriebskraft der Hauptspindel, ein sinnvolles Messergebnis erhalten werden, obwohl die Messung davon mit einem Abfragezyklus länger als der bei einem herkömmlichen Fall durchgeführt wird, und eine Kostenreduzierung kann realisiert werden. Ferner ist es auch möglich, so ein Phänomen zu messen, wobei deren Änderungszyklus so schnell ist, dass die Messung davon konventionell technisch schwierig war, und weil die Messung nur während des stabilen Zustands durchgeführt wird, kann ein Messergebnis mit hoher Zuverlässigkeit gewonnen werden.
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Im Folgenden wird eine Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung anhand Figuren mit Bezugszeichnen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 ein Diagramm, das eine Werkzeugmaschine zeigt;
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2 ein Flussdiagramm, das die Steuerung für die Messung von einem an einer Hauptspindelvorrichtung auftretenden Phänomen zeigt;
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3 ein Diagramm, das die korrespondierende Beziehung zwischen einer Abfrage und periodischer Änderung in der Antriebskraft einer Hauptspindel zeigt;
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4 ein Diagramm, das die Änderung in der Antriebskraft der Hauptspindel in einem Zyklus zeigt, die durch das Durchführen von Messungen alle 50 μsec erhalten wird;
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5 ein Diagramm, das die Änderung in der Antriebskraft der Hauptspindel in einem Zyklus zeigt, die durch das Durchführen von Messungen alle 30 msec final erhalten wird;
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1 ist ein Diagramm, das eine Werkzeugmaschine 20 zeigt.
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Die Werkzeugmaschine 20 ist ein sogenanntes Bearbeitungszentrum und weist eine Hauptspindelvorrichtung 11 und eine Steuervorrichtung 12 auf. Ein Hauptspindelkopf 3 der Hauptspindelvorrichtung 11 ist mit einer als eine Drehwelle funktionierende Hauptspindel 2, einer Antriebsvorrichtung (nicht gezeigt) zum Drehen der Hauptspindel 2, und ähnlichem vorgesehen. Ein Werkzeughalter 1, vorgesehen mit einem Werkzeug, ist an einem Ende der Hauptspindel 2 befestigt. Ein Sensor (beispielsweise ein Sensor zum Messen einer gewünschten elektrischen Energie der Antriebsvorrichtung) zum Messen der Antriebskraft der Hauptspindel 2, ein Sensor zum Messen von auf die Hauptspindelvorrichtung 11 vorkommenden Vibrationen und ähnlicher sind an Hauptkomponenten, beispielsweise dem Hauptspindelkopf 3 der Hauptspindelvorrichtung 11, befestigt. Auf der anderen Seite ist die Steuervorrichtung 12 für die Steuerung des Betriebs der Hauptspindel 2 und für die Diagnose des Zustandes der Hauptspindelvorrichtung 11 und der maschinellen Bearbeitung der Hauptspindelvorrichtung 11 vorgesehen. Die Steuervorrichtung 12 ist mit den obengenannten verschiedenen Sensoren verbunden und weist einen Messabschnitt 4, der unterschiedliche Informationen über die Hauptspindelvorrichtung 11 misst, einen Aufnahmeabschnitt 5, der einen Messwert mit einem vorbestimmten Abfragezyklus aufnimmt, und einen Rechenabschnitt 6, der unterschiedliche Rechenprozesse auf der Grundlage des aufgenommenen Wertes im Aufnahmeabschnitt 5 durchführt, auf.
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Die Steuerung der Messung eines an der Hauptspindelvorrichtung 11 auftretenden Phänomens, die ein Hauptteil der vorliegenden Erfindung ist, wird mit Bezug auf das Flussdiagramm in 2 beschrieben. Hierbei wird davon ausgegangen, dass eine Änderung der Antriebskraft der Hauptspindel 2 gemessen wird, wenn die Zerspanung unter Verwendung eines Werkzeugs mit drei Spanklingen durchgeführt wird.
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Bei der Messung der Änderung der Antriebskraft der Hauptspindel 2 misst die Steuervorrichtung 12 zuerst die Antriebskraft der Hauptspindel 2 mit einem vorbestimmten Abfragezyklus ST (beispielswiese 30 msec) der Hauptspindelvorrichtung 11, in der sich die Hauptspindel 2 mit einem für die Durchführung der Zerspanung eingestellten Drehzyklus LT einer Drehwelle dreht (S1). Die Steuervorrichtung 12 bestimmt dann, ob sich die Bearbeitung in einer stabilen Zone befindet oder nicht, in dem die gleiche Bearbeitung für ein Werkstück durchgeführt wird (ob die Bearbeitung im stabilen Zustand ist oder nicht), aus einer Tatsache, dass keine Änderungen in einem Drehgeschwindigkeitsbefehl und einem Vorschubgeschwindigkeitsbefehl von der Steuervorrichtung 12 an die Hauptspindelvorrichtung 11 auftreten (keine Änderungen von für die Betriebssteuerung der Drehwellenvorrichtung relevanten Befehlen auftreten), und einer Tatsache, dass Spanmengen des Werkstücks in der axialen Richtung und der radialen Richtung konstant sind (keine Änderung im Bearbeitungszustand auftritt), wobei die Spanmengen auf der Basis von Informationen über die Form des Werkstücks, die im Voraus in dem Aufnahmeabschnitt 5 aufgenommen wurde, einen Bearbeitungsweg des Werkzeugs, und die Koordinate des aktuellen Befehls, berechnet werden (S2). Nur wenn die Bearbeitung in einer stabilen Zone ist, setzt danach die Steuervorrichtung 12 die Messung fort, und falls die Bearbeitung von der stabilen Zone abweicht, stoppt die Steuervorrichtung 12 die Messung sofort.
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Wenn die Bearbeitung in der stabilen Zone ist, berechnet die Steuervorrichtung
12 eine Drehphase der Hauptspindel
2 zu der Zeit der Messung in der N-ten Abfrage unter Verwendung der folgenden Formel (1), d. h. eine Nachkommastelle eines Wertes, der durch das Teilen eines Produktes von einem Abfragezyklus S
T und der Anzahl N der Abfrage durch dem Drehzyklus L
T der Drehwelle erhalten wird (S3), und nimmt die berechnete Drehphase und den Messwert in dem Aufnahmeabschnitt
5 auf, um einander zugeordnet zu werden (S4). Die Steuervorrichtung
12 setzt danach zu der Zeit jeder Messung die Messung und die Berechnung der Drehphase der Hauptspindel
2 für eine Vielzahl von Drehungen der Hauptspindel
2 fort, um die Messwerte bei unterschiedlichen Drehphasen zu erhalten, wobei die Änderung der Antriebskraft während einer Drehung der Hauptspindel
2 (d. h. die Änderung in einem Zyklus) final berechnet wird, wie
5 zeigt. [Mathematisch 1]
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⌊⌋ steht für eine Abrundungsfunktion (floor function), und ⌊A⌋ steht für die größte Ganzzahl, die nicht größer als A ist.
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In Bezug auf 3 bis 5, wird der Fall vom Durchführen einer Messung alle 30 msec wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, mit einem Fall vom Durchführen einer Messung alle 50 μsec wie in einem herkömmlichen Fall verglichen. In dem herkömmlichen Verfahren, bei dem die Messung alle 50 μsec durchgeführt wird, kann die Änderung der Antriebskraft der Hauptspindel 2 im Wesentlichen in Echtzeit während einer Drehung der Hauptspindel 2 gemessen werden, und kann ein Messergebnis, wie 4 zeigt, erhalten werden. Auf der anderen Seite kann in dem Verfahren, bei dem die Messung wie in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel alle 30 msec durchgeführt wird, die Antriebskraft nur an einem Punkt oder zwei Punkten während einer Drehung der Hauptspindel 2 gemessen werden. Jedoch wird die Antriebskraft, wie 3 zeigt, während die Bearbeitung in der stabilen Zone ist, für eine Vielzahl von Drehungen gemessen, und ferner ist jeder Messwert der Drehphase der Hauptspindel 2 zugeordnet und werden die Messwerte von der Vielzahl von Drehungen kombiniert, wodurch die Änderung der Antriebskraft in einer Drehung erhalten werden kann, wie 5 zeigt. Wie ein Vergleich zwischen 4 und 5 zeigt, kann ein Messergebnis auch in dem Fall der Durchführung einer Messung alle 30 msec nahe an dem Messergebnis in dem Fall der Durchführung einer Messung alle 50 μsec erhalten werden.
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Ob die maschinelle Bearbeitung in der stabilen Zone ist oder nicht, in dem die gleiche Bearbeitung für ein Werkstück durchgeführt wird, wird in der Werkzeugmaschine 20 mit der oben beschriebenen Konfiguration von sowohl einer Tatsache bestimmt, dass keine Änderungen im Drehgeschwindigkeitsbefehl und im Vorschubgeschwindigkeitsbefehl von der Steuervorrichtung 12 an die Hauptspindelvorrichtung 11 auftreten, als auch einer Tatsache, dass Spanmengen des Werkstücks in der axialen Richtung und der radialen Richtung konstant sind, wobei die Spanmengen auf der Basis von Informationen über die Form des Werkstücks, die im Voraus in dem Aufnahmeabschnitt 5 aufgenommen wurde, einen Bearbeitungsweg des Werkzeugs, und die Koordinate des aktuellen Befehls, berechnet werden. Falls die Bearbeitung in der stabilen Zone ist, ist dann eine Drehphase der Hauptspindel 2 zu der Zeit der Messung in der N-ten Abfrage unter Verwendung der Formel (1) berechnet, und die berechnete Drehphase und der Messwert werden in dem Aufnahmeabschnitt 5 aufgenommen, um einander zugeordnet zu werden. Ferner wird die Messung und die Berechnung der Drehphase der Hauptspindel 2 zu der Zeit jeder Messung für eine Vielzahl von Drehungen der Hauptspindel 2 fortgeführt, um Messwerte von unterschiedlichen Drehphasen zu erhalten. Danach wird die Änderung der Antriebskraft während einer Drehung der Hauptspindel 2 final berechnet. Bezüglich eines sich bei einer Hochgeschwindigkeit ändernden Phänomens, zum Beispiel einer Änderung der Antriebskraft der Hauptspindel 2, auch wenn die Messung davon mit einem Abfragezyklus länger als dem beim herkömmlichen Fall durchgeführt wird, kann daher ein sinnvolles Messergebnis erhalten werden und kann eine Kostenreduzierung realisiert werden. Es ist zusätzlich auch möglich, ein solches Phänomen zu messen, wobei deren Änderungszyklus so schnell ist, dass eine Messung davon konventionell technisch schwierig ist. Ferner kann ein Messergebnis mit hoher Zuverlässigkeit gewonnen werden, da die Messung nur während des stabilen Zustands durchgeführt wird.
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Dazu ist es anzumerken, dass die Konfiguration für die Werkzeugmaschine der vorliegenden Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel eingeschränkt ist. Nicht nur die komplette Konfiguration der Werkzeugmaschine, auch die Konfigurationen für die Steuerung der Messung des Phänomens und ähnliches können angemessen modifiziert werden, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Zum Beispiel, obwohl die Hauptspindelvorrichtung als ein Bearbeitungszentrum in dem obengenannten Beispiel beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung auch für andere Werkzeugmaschinen und Drehwellenvorrichtungen zum Verwenden geeignet, zum Beispiel eine Hauptspindelvorrichtung und eine Vorschubwellenvorrichtung einer Drehmaschine.
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Im obigen Ausführungsbeispiel ist die Antriebskraft der Hauptspindel als ein sich periodisch änderndes Phänomen gezeigt, aber es ist nicht darauf begrenzt, das Phänomen kann, zum Beispiel, die Antriebskraft einer anderen Antriebswelle beispielsweise einer Vorschubwelle, oder die Vibration, die Verschiebung, die Temperatur, oder ähnliches sein, die an der Drehwellenvorrichtung auftreten. Als ein spezifisches Beispiel kann ein Vibrationssensor (Sensor) an einer Vorschubwelle (Drehwelle) befestigt werden, um die Vibration zu messen, die auftritt, wenn die Vorschubwelle mit einer bestimmten Geschwindigkeit gedreht wird, um einen beweglichen Körper zu bewegen. Mit dem Erhalt eines Ergebnisses einer solchen Messung, ist es möglich, den für die Bewegung der Vorschubwelle relevanten Zustand eines Lagers oder einer Kugelspindel zu analysieren.
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Ob die Bearbeitung in einem stabilen Zustand ist oder nicht, wird im obigen Ausführungsbeispiel auf der Basis sowohl der Tatsache bestimmt, dass keine Änderungen in für die Betriebssteuerung der Drehwellenvorrichtung relevanten Befehlen auftreten, als auch der Tatsache, dass keine Änderung im Bearbeitungszustand auftritt. Aber, ob die Bearbeitung in dem stabilen Zustand ist oder nicht, kann auch von nur einer dieser Tatsachen bestimmt werden.
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Auf der Basis einer Tatsache, dass die Spanmenge des Werkstücks konstant ist, wird im obigen Ausführungsbeispiel bestimmt, dass keine Änderung im Bearbeitungszustand auftritt. Es ist aber auch möglich, eine solche Konfiguration zu verwenden, um zu bestimmen, dass keine Änderung im Bearbeitungszustand vorkommt, basierend auf einer Tatsache, dass keine Änderung einer anderen Bedingung vorkommt, zum Beispiel keine Änderung in der Vorschubrichtung oder keine Änderung in der Maschinentemperatur.
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Es ist explizit anzumerken, dass alle Merkmale, offenbart in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen, zum Zweck der Ursprungsoffenbarung sowie zum Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung, unabhängig von der Zusammensetzung der Merkmale in den Ausführungen und/oder den Ansprüchen, für die Offenbarung separat gedacht sind. Es ist explizit anzumerken, dass alle Wertebereiche oder Angaben der Gruppen der Einrichtungen jeden möglichen Zwischenwert oder jede mögliche Zwischeneinheit, zum Zweck der Ursprungsoffenbarung sowie auch zum Zweck der Beschränkung der beanspruchten Erfindung, insbesondere als Grenzwerte der Wertebereiche offenbaren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2004-126956 [0003]
- JP 2012-254499 [0004]
