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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Servosteuereinrichtung.
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Verwandte Technik
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Herkömmlich ist eine Schwingungsbearbeitung bekannt, die Späne zerkleinert, indem sie bewirkt, dass ein Werkzeug und ein Werkstück in der Bearbeitungsrichtung relativ schwingen (schwingender Betrieb) (siehe z. B. das
japanische Patent Nr. 6416218 und das
japanische Patent Nr. 5606658 ). Das
japanische Patent Nr. 6416218 offenbart, dass „in dem Schneidwerkzeug
130 der bearbeitete Abschnitt bei einer Vorwärtsbewegung und der bearbeitete Abschnitt bei einer Rückwärtsbewegung einander teilweise überlappen und der Schnittabschnitt bei der n+1. Drehung der Umfangsfläche des Werkstücks
W den Abschnitt beinhaltet, der bereits bei der n
ten Drehung geschnitten worden ist. In diesem Abschnitt findet ein sogenannter Leerlaufbetrieb statt, in dem das Schneidwerkzeug
130 das Werkstück
W nicht schneidet und folglich ein Leerschneiden durchführt, während das Schneiden erfolgt. Die Späne, die während der Bearbeitung von dem Werkstück
W erzeugt werden, werden durch den Leerlaufbetrieb zerkleinert. Die Werkzeugmaschine
10 kann eine Bearbeitung der äußeren Form des Werkstücks
W gleichmäßig durchführen, während die Späne durch das Schneidwerkzeug
130 zerkleinert werden, das sich entlang der Schneidvorschubrichtung vorwärts und rückwärts bewegt.“
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Des Weiteren offenbart das
japanische Patent Nr. 5606658 darüber hinaus, dass „eine Gestaltung so erfolgt, dass ein Befehl zum Durchführen eines Schwingungsschneidens, der die Frequenz der Schwingung und die Amplitude definiert, die während der Bearbeitung entlang des Bewegungsweges angelegt werden sollen, in dem Bearbeitungsprogramm bereitgestellt wird, ein Ausgleichsweg, bei dem es sich um eine Bewegungsbahn einer Bezugsposition eines Werkzeugs
62 im Hinblick auf das Bearbeitungsziel handelt, auf Grundlage der Ausgleichsinformationen von dem Programmpfad auf Grundlage eines Bewegungsbefehls in dem Bearbeitungsprogramm erzeugt wird, wodurch eine Schwingung entlang des Ausgleichsweges auf die Bearbeitung in diesem Ausgleichsweg ausgeübt wird. Bei einer solchen Gestaltung ist es möglich, andere Abschnitte als den Ausgleichsweg zu schneiden, oder ist es möglich zu verhindern, dass das Bearbeitungsziel übermäßig geschnitten wird. Dabei ist es des Weiteren möglich, durch die Schwingung die Späne, die während des Schneidens zu erzeugen sind, fein zu zerkleinern, indem die Schwingung entlang des Ausgleichsweges so festgelegt wird, dass sie die Amplitude von mehreren Hundert Mikrometern oder weniger und die Frequenz einer niederfrequenten Schwingung von mehreren Hundert Hz oder weniger aufweist.“
- Patentdokument 1: japanisches Patent Nr. 6416218
- Patentdokument 2: japanisches Patent Nr. 5606658
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Übersicht über die Erfindung
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Es ist erwünscht zu verhindern, dass während einer Schwingungsbearbeitung ein unnötiger Schnitt in einem Werkstück erzeugt wird.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Servosteuereinrichtung bereitzustellen, die verhindern kann, dass während einer Schwingungsbearbeitung ein unnötiger Schnitt in einem Werkstück erzeugt wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Servosteuereinrichtung, die eine Werkzeugmaschine steuert, die ein Werkstück durch einen zusammenwirkenden Betrieb einer Mehrzahl von Achsen dreht: eine Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit, die einen Schwingungsbefehl erzeugt, um zu bewirken, dass das Werkstück und das Werkzeug relativ schwingen; eine Positionsabweichungs-Schätzeinheit, die eine geschätzte Positionsabweichung von einem Bewegungsbefehl schätzt, um zu bewirken, dass sich das Werkstück und das Werkzeug relativ bewegen; eine Addiereinrichtung, die den Schwingungsbefehl auf Grundlage des Bewegungsbefehls auf eine Positionsabweichung anwendet; eine Subtrahiereinrichtung, die die geschätzte Positionsabweichung von einer Positionsabweichung abzieht, auf die der Schwingungsbefehl angewendet wird; und eine Lernsteuereinheit, die einen Ausgleichsbetrag aus einer Positionsabweichung auf Grundlage des Bewegungsbefehls nach dem Abziehen der geschätzten Positionsabweichung berechnet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Servosteuereinrichtung bereitzustellen, die verhindern kann, dass während einer Schwingungsbearbeitung ein unnötiger Schnitt in einem Werkstück erzeugt wird.
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Figurenliste
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- 1 ist ein Schaubild, das die Gestaltung eines Bearbeitungssystems darstellt, das eine Servosteuereinrichtung einer Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet;
- 2 ist ein Schaubild, das eine Positionsabweichungs-Schätzeinheit der Servosteuereinrichtung der Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt;
- 3 ist ein Schaubild, das eine Beziehung zwischen einem Vorschubbetrag und einem Drehwinkel bei einem schwingenden Betrieb darstellt;
- 4 ist ein Graph, der einen Betrieb eines Werkzeugs in einem Fall darstellt, in dem eine geschätzte Positionsabweichung, die durch die Positionsabweichungs-Schätzeinheit geschätzt wird, nicht von einer Positionsabweichung in dem schwingenden Betrieb subtrahiert worden ist; und
- 5 ist ein Graph, der einen Betrieb eines Werkzeugs in einem Fall darstellt, in dem die geschätzte Positionsabweichung, die durch die Positionsabweichungs-Schätzeinheit geschätzt wird, von einer Positionsabweichung in dem schwingenden Betrieb subtrahiert worden ist.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Im Folgenden wird ein Beispiel für eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass identischen oder entsprechenden Abschnitten in den jeweiligen Zeichnungen dieselben Bezugszeichen beigefügt werden.
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1 ist ein Schaubild, das die Gestaltung eines Bearbeitungssystems 1 darstellt, das eine Servosteuereinrichtung 20 einer Werkzeugmaschine 10 beinhaltet. Das in 1 dargestellte Bearbeitungssystem 1 beinhaltet eine Werkzeugmaschine 10 und eine Servosteuereinrichtung 20 zum Steuern der Werkzeugmaschine 10.
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Die Werkzeugmaschine 10 beinhaltet ein Werkzeug 11. Das Werkzeug 11 dreht ein Werkstück W, das zum Beispiel eine zylindrische, säulenförmige, konische oder eine Form eines Kegelstumpfes aufweist. In dem Beispiel von 1 dreht das Werkzeug 11 die äußere Umfangsfläche des Werkstücks W. In dem Beispiel von 1 wird die Mittelachsenlinie des Werkstücks W, die als Drehachse des Werkstücks W dient, als z-Achse dargestellt, und die Achsenlinie senkrecht zu der z-Achse wird als x-Achse dargestellt.
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Die Form in der Richtung entlang der z-Achse, in der die Werkzeugmaschine 10 bearbeitet, ist nicht auf eine lineare beschränkt, und die Werkzeugmaschine 10 ist auch in der Lage, das Werkstück W zu bearbeiten, das eine Bogenform aufweist. Des Weiteren ist die Werkzeugmaschine 10 nicht auf ein Bearbeiten der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W beschränkt, und es ist auch möglich, die innere Umfangsfläche des Werkstücks W wie zum Beispiel eine zylindrische Form zu bearbeiten. Des Weiteren ist die Werkzeugmaschine 10 nicht auf ein Drehen beschränkt, und es ist auch möglich, ein Bearbeiten wie zum Beispiel Schneiden, Läppen, Schleifen oder Polieren durchzuführen.
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Die Werkzeugmaschine 10 beinhaltet eine Spindel M0 als Motor 12 und zwei Vorschubachsen M1 und M2, die mit der Spindel M0 zusammenwirken. Die Spindel M0 beinhaltet einen Spindelmotor, und die Vorschubachsen M1 und M2 beinhalten Servomotoren. Die Spindel M0 und die Vorschubachsen M1 und M2 werden durch die Servosteuereinrichtung 20 gesteuert.
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Die Spindel M0 bewirkt, dass sich das Werkstück W um die Mittelachsenlinie (die z-Achse) des Werkstücks W dreht. Die Vorschubachse M1 ist in der Lage, sowohl ein Vorschieben des Werkzeugs 11 in der Richtung der z-Achse (der ersten Richtung) als auch eine Hin- und Herbewegung (d. h., eine Schwingung) des Werkzeugs 11 in der Richtung der z-Achse durchzuführen. Die Vorschubachse M2 ist in der Lage, sowohl ein Vorschieben des Werkzeugs 11 in der Richtung der x-Achse (der zweiten Richtung) als auch die Hin- und Herbewegung (d. h., die Schwingung) des Werkzeugs 11 in der Richtung der x-Achse durchzuführen.
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Wenn ein zylindrisches oder säulenförmiges Werkstück W gedreht wird, wird bewirkt, dass sich das Werkstück W um die Mittelachsenlinie (die z-Achse) des Werkstücks W dreht, und das Werkzeug 11 wird nur in der Richtung der z-Achse (in diesem Fall der Bearbeitungsrichtung) entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W vorgeschoben.
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Wenn demgegenüber das Werkstück W, das einen anderen äußeren Durchmesser in der Richtung der z-Achse aufweist, wie zum Beispiel das Werkstück W, das eine verjüngte Form oder eine Bogenform aufweist, gedreht wird, wird bewirkt, dass sich das Werkstück W um die Mittelachsenlinie (die z-Achse) um das Werkstück W dreht, und das Werkzeug 11 wird in einer Schrägrichtung entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W (der zusammengesetzten Richtung der Richtung der z-Achse und der Richtung der x-Achse) (in diesem Fall der Bearbeitungsrichtung) vorgeschoben. Um das Werkzeug 11 in einer Schrägrichtung entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W vorzuschieben, sind in diesem Fall zumindest zwei Vorschubachsen M1 und M2 erforderlich. Durch Steuern sowohl der Vorschubachse M1 als auch der Vorschubachse M2 wird das Werkzeug 11 in der Schrägrichtung entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W vorgeschoben.
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Die Servosteuereinrichtung 20 ist durch einen Computer ausgebildet, der einen Speicher wie zum Beispiel einen ROM (read only memory, Festwertspeicher) und einen RAM (random access memory, Direktzugriffsspeicher), eine CPU (central processing unit, Zentraleinheit) und eine Datenübertragungs-Steuereinheit beinhaltet, die durch einen Bus miteinander verbunden sind. Darüber hinaus beinhaltet die Servosteuereinrichtung 20 eine Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22, eine Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 (die einen Schwingungsamplituden-Berechnungsteil, einen (nicht dargestellten) Schwingungsfrequenz-Berechnungsteil und eine im Folgenden beschriebene Schwingungsbefehls-Berechnungseinheit 231 von 2 beinhaltet), eine Steuereinheit 26 (die Addiereinrichtungen 241 und 242, Subtrahiereinrichtungen 251 und 252, eine Lernsteuereinheit 27 und eine Positions-Geschwindigkeits-Steuereinheit 28 in 1 beinhaltet, die im Folgenden beschrieben werden), eine Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 und eine (nicht dargestellte) Speichereinheit, und die Funktion oder der Betrieb jeder Komponente kann mit dem Zusammenwirken zwischen der CPU und dem Speicher, die an dem Computer angebracht sind, und dem in dem Speicher gespeicherten Steuerprogramm erzielt werden.
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Beispielsweise werden Bearbeitungsbedingungen des Werkstücks W in der (nicht dargestellten) Speichereinheit gespeichert. Zu den Bearbeitungsbedingungen des Werkstücks W zählen zum Beispiel die relative Drehzahl des Werkstücks W und des Werkzeugs 11 um die Mittelachse des Werkstücks W, die relative Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs 11 und des Werkstücks W und der Positionsbefehl der Vorschubachse M1 und M2 usw.
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Ein (nicht dargestellter) Host-Computer wie zum Beispiel eine CNC (Computer Numerical Controller, numerische Steuereinrichtung), eine PLC (Programmable Logic Controller, programmierbare Logiksteuerung) usw. ist mit der Servosteuereinrichtung 20 verbunden, und die oben erwähnte Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit können von dem Host-Computer in die (nicht dargestellte) Speichereinheit eingegeben werden. Des Weiteren wird die (nicht dargestellte) Speichereinheit oder die Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22 nicht zwingend in der Servosteuereinrichtung 20 bereitgestellt und kann daher in dem oben erwähnten Host-Computer bereitgestellt werden.
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Des Weiteren speichert die (nicht dargestellte) Speichereinheit ein durch die Werkzeugmaschine 10 auszuführendes Bearbeitungsprogramm, und eine Gestaltung kann so erfolgen, dass die (nicht dargestellte) CPU in der Servosteuereinrichtung 20 als Bearbeitungsbedingungen die oben erwähnte Drehzahl und die Vorschubgeschwindigkeit aus dem Bearbeitungsprogramm liest und diese an die Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22 und die Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 ausgibt.
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Die Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22 erzeugt einen Positionsbefehl, um zu bewirken, dass sich das Werkstück W und das Werkzeug 11 relativ bewegen. Genauer gesagt, die Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22 weist eine Funktion zum Erzeugen des Positionsbefehls der Vorschubachsen M1 und M2 auf Grundlage der relativen Drehzahl des Werkstücks W und des Werkzeugs 11 um die Mittelachsenlinie des Werkstücks W und der relativen Vorschubgeschwindigkeit des Werkzeugs 11 und des Werkstücks W auf. Bei diesem Positionsbefehl handelt es sich um einen Befehl zum Anweisen einer Zielposition bei einem relativen Vorschieben des Werkzeugs 11 und des Werkstücks W in einer Richtung entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W (der Bearbeitungsrichtung).
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Die Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 verwendet einen Positionsbefehl von der Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22, um einen Schwingungsbefehl zu erzeugen, um zu bewirken, dass das Werkstück W und das Werkzeug 11 relativ schwingen. Genauer gesagt, die Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 erzeugt einen Schwingungsbefehl der Vorschubachse M1, so dass auf Grundlage der oben erwähnten Drehzahl und der oben erwähnten Vorschubgeschwindigkeit eine Schwingungsfrequenz eines positiven nicht-ganzzahligen Vielfachen im Hinblick auf die Drehzahl entsteht und so dass das Werkzeug 11 das Werkstück W intermittierend schneidet. Bei dem Schwingungsbefehl handelt es sich um einen periodischen Befehl, der so erzeugt wird, dass er im Hinblick auf die oben beschriebene Drehzahl um die Mittelachse asynchron ist und die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude beinhaltet. Das heißt, der Betriebszustand des schwingenden Betriebs wird durch die Schwingungsfrequenz oder die Schwingungsamplitude dargestellt. Der Wert durch den Term S/60×I in Gleichung (1) des im Folgenden beschriebenen Schwingungsbefehls entspricht der Schwingungsfrequenz, der Wert durch den Term K×F/2 in Gleichung (1) entspricht der Schwingungsamplitude.
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Hierin gibt intermittierendes Schneiden an, dass das Werkzeug 11 das Werkstück W dreht, während das Werkzeug 11 periodisch mit dem Werkstück W in Kontakt kommt und sich von diesem trennt, und wird auch als Schwingungsschneiden oder Vibrationsschneiden bezeichnet. Wenngleich sich das Werkstück W dreht und das Werkzeug 11 im Hinblick auf das Werkstück W schwingt, kann darüber hinaus in 1 eine Gestaltung so erfolgen, dass sich das Werkzeug 11 um die Mittelachsenlinie des Werkstücks W dreht und das Werkstück W im Hinblick auf das Werkzeug 11 schwingt. Des Weiteren kann in 1, wenngleich sowohl der Vorschubbetrieb als auch der Schwingungsbetrieb des Werkstücks W durch eine Vorschubachse M1, M2 durchgeführt werden, eine Gestaltung so erfolgen, dass der Vorschubbetrieb und der Schwingungsbetrieb des Werkstücks W jeweils durch unterschiedliche Vorschubachsen durchgeführt werden.
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Es folgt eine ausführliche Beschreibung der Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23. 3 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen einem Vorschubbetrag und einem Drehwinkel darstellt. Die horizontale Achse in 3 stellt den Drehwinkel des Werkstücks W dar, und die vertikale Achse stellt den Vorschubbetrag des Werkzeugs 11 in der Bearbeitungsrichtung (d. h., der Richtung entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W in 1) dar. Eine Mehrzahl von geradlinigen, gestrichelten Linien C1, C2, C3..., die sich in der diagonalen Richtung erstrecken, wird in 3 dargestellt. Wie aus 3 zu ersehen ist, entspricht die Koordinate der vertikalen Achse des Schnittpunkts zwischen der gestrichelten Linie C1 und der vertikalen Achse der Koordinate der vertikalen Achse am Ausgangspunkt der nächsten gestrichelten Linie C2. In ähnlicher Weise entspricht die Koordinate der vertikalen Achse des Schnittpunkts zwischen der gestrichelten Linie C2 und der vertikalen Achse der Koordinate der vertikalen Achse am Ausgangspunkt der nächsten gestrichelten Linie C3. Die Mehrzahl von geradlinigen, gestrichelten Linien C1, C2, C3... stellt die Bewegungsbahn des Werkzeugs 11 in dem Werkstück W in dem Fall dar, in dem kein Schwingungsbefehl vorliegt. Demgegenüber stellen die in 3 dargestellten Kurven A1, A2, A3... die Bewegungsbahn des Werkzeugs 11 an dem Werkstück W in dem Fall des Schwingungsbefehls dar. Das heißt, die gestrichelten Linien C1, C2, C3 usw. stellen nur den Positionsbefehl dar, bevor der Schwingungsbefehl addiert wird (den ursprünglichen Befehlswert), und die Kurven A1, A2, A3 usw. geben den Positionsbefehl an, nachdem der Schwingungsbefehl addiert worden ist. Daher stellen die Kurven A1, A2 und A3 einen Befehl dar, der durch Addieren eines kosinusförmigen Schwingungsbefehls zu jedem Positionsbefehl gewonnen wird, der durch die gestrichelten Linien C1, C2 und C3 dargestellt wird.
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Des Weiteren handelt es sich bei der Kurve A1 um die Bewegungsbahn des Werkzeugs 11 in der ersten Drehung des Werkstücks W, ist die Kurve A2 die Bewegungsbahn des Werkstücks 11 in der zweiten Drehung des Werkstücks W und ist die Kurve A3 die Bewegungsbahn des Werkzeugs 11 in der dritten Drehung des Werkstücks W. Der Einfachheit halber wird die Bewegungsbahn des Werkzeugs 11 nach der vierten Drehung des Werkstücks W nicht dargestellt.
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Die Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 berechnet den Schwingungsbefehl auf die folgende Weise. Um einen Befehl wie zum Beispiel die Kurven A1, A2 und A3 mit jeder der gestrichelten Linien C1, C2 und C3 zu berechnen, bei denen es sich um die Positionsbefehle der Vorschubachsen M1 und M2 handelt, die durch die Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22 als Bezugsachsenlinie berechnet werden, bestimmt die Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 die Schwingungsfrequenz. S/60×I in der im Folgenden beschriebenen Gleichung (1) wird zu der Schwingungsfrequenz.
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Bei einem Bestimmen der oben erwähnten Schwingungsfrequenz, wie in 3 dargestellt, wird die Anfangsphase der kosinusförmigen Kurve A2 mit einer bestimmten gestrichelten Linie, zum Beispiel der gestrichelten Linie C2 als Bezugsachse bevorzugt um einen halben Zyklus im Hinblick auf die kosinusförmige Kurve A1 mit einer vorherigen gestrichelten Linie, zum Beispiel der gestrichelten Linie C1 als Bezugsachse verschoben. Der Grund dafür ist, dass, wenn sie um einen halben Zyklus verschoben wird, die Schwingungsamplitude des Schwingungsbefehls minimiert werden kann, woraufhin es möglich ist, die Späne am effizientesten zu zerkleinern.
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Um einen Befehl wie zum Beispiel die Kurven A1, A2 und A3 mit jeder der gestrichelten Linien C1, C2 und C3 als Bezugsachsenlinie zu berechnen, bestimmt die Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 die Schwingungsamplitude des oben beschriebenen Schwingungsbefehls. Der Wert gemäß dem Term K×F/2 in der im Folgenden beschriebenen Gleichung (1) wird zu der Schwingungsamplitude. Die in 3 dargestellte Kurve A1 und A2 überlappen einander an der Position B1, wo der Drehwinkel etwa 0 Grad beträgt, und an der Position B2, wo der Drehwinkel etwa 240 Grad beträgt. Wie aus 3 zu ersehen ist, ist an den Positionen B1 und B2 der Höchstwert der Kurve A1 im Hinblick auf die gestrichelte Linie C1 größer als der Mindestwert der Kurve A2 im Hinblick auf die gestrichelte Linie C2. Mit anderen Worten, es ist erwünscht, dass die Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 die Schwingungsamplitude so bestimmt, dass die vorherige Kurve A1 und die nachfolgende Kurve A2 einander teilweise überlappen. Es ist zu beachten, dass, da die Vorschubgeschwindigkeit in den Kurven A1, A2 und A3 konstant ist, die Schwingungsamplituden jedes Schwingungsbefehls sämtlich übereinstimmen.
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An diesen überlappenden Positionen B1 und B2 wird das Werkstück W nicht bearbeitet, da das Werkzeug 11 während des Bearbeitens auf der Bewegungsbahn der Kurve A2 von dem Werkstück W beabstandet ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, ein sogenanntes intermittierendes Schneiden durchzuführen, da solche überlappenden Positionen B1 und B2 periodisch erzeugt werden. In dem in 3 dargestellten Beispiel werden die Späne an den Positionen B1 bzw. B2 durch den Betrieb entsprechend der Kurve A2 erzeugt. Mit anderen Worten, zwei Späne werden in der Kurve A2 in der zweiten Drehung erzeugt. Da ein solches intermittierendes Schneiden periodisch durchgeführt wird, ist es möglich, ein Vibrationsschneiden periodisch durchzuführen.
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Des Weiteren ist die Kurve A3 im Hinblick darauf ausgebildet, dass die gestrichelte Linie C3 dieselbe Form wie die Kurve A1 aufweist. Die Kurve A2 und die Kurve A3 überlappen einander an der Position B3, wo der Drehwinkel etwa 120 Grad beträgt, und an der Position B4, wo der Drehwinkel etwa 360 Grad beträgt. Die Späne werden an den Positionen B3 bzw. B4 durch den Betrieb entsprechend der Kurve A3 erzeugt. Mit anderen Worten, zwei Späne werden in der Kurve A3 in der dritten Drehung erzeugt. Anschließend werden zwei Späne bei jeder Drehung des Werkstücks erzeugt. Späne werden jedoch nicht bei der ersten Drehung erzeugt.
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Durch Definieren der Schwingungsfrequenz und der Schwingungsamplitude auf diese Weise berechnet die Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 in der Steuereinheit 26 den Schwingungsbefehl. Beispielsweise wird der Schwingungsbefehl ausgedrückt, wie in Gleichung (1) im Folgenden dargestellt.
[Math. 1]
In Gleichung (1) ist K ein Schwingungsamplituden-Multiplikationsfaktor, ist F ein Bewegungsbetrag des Werkzeugs 11 je Drehung des Werkstücks W, das heißt, der Vorschubbetrag je Drehung [mm/rev], ist S eine Drehzahl um die Mittelachse des Werkstücks W [min-1] oder [rpm] und ist I ein Schwingungsfrequenz-Multiplikationsfaktor. Hier entspricht die oben erwähnte Schwingungsfrequenz dem Term S/60×I in der Gleichung (1), und die oben erwähnte Schwingungsamplitude entspricht dem Term K×F/2in der Gleichung (1). Jedoch handelt es sich bei dem Schwingungsamplituden-Multiplikationsfaktor K um eine Zahl 1 oder größer, und der Schwingungsfrequenz-Multiplikationsfaktor I ist eine nicht-ganze Zahl größer null (zum Beispiel eine positive nicht-ganze Zahl wie zum Beispiel 0,5, 0,8, 1,2, 1,5, 1,9, 2,3 oder 2,5). Der Schwingungsamplituden-Multiplikationsfaktor K und der Schwingungsfrequenz-Multiplikationsfaktor I sind Konstanten (in dem Beispiel von 3 ist I gleich 1,5). Der Grund, warum der Schwingungsfrequenz-Multiplikationsfaktor I keine ganze Zahl ist, ist, dass es in einem Fall, in dem die Schwingungsfrequenz mit der Drehzahl um die Mittelachse des Werkstücks W genau übereinstimmend wird, nicht möglich ist, die oben beschriebenen überlappenden Positionen B1, B2, B3, B4 usw. zu erzeugen und daher die Zerkleinerungswirkung der Späne aufgrund des Schwingungsschneidens nicht erzielt werden kann.
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Des Weiteren handelt es sich gemäß Gleichung (1) bei dem Schwingungsbefehl um einen Befehl, in dem der Term (K×F/2) als Versatzwert im Hinblick auf eine Kosinuswelle subtrahiert wird, wobei jede der gestrichelten Linien C1, C2 und C3 den Positionsbefehl als Bezugsachsenlinie angibt. Daher ist es möglich, die Positionsbewegungsbahn des Werkzeugs 11 auf Grundlage des zusammengesetzten Befehlswerts, der durch Addieren des Schwingungsbefehls zu dem Positionsbefehl gewonnen wird, mit der Position entsprechend dem Positionsbefehl in der Bearbeitungsrichtung des Werkzeugs 11 als oberen Grenzwert zu steuern. Daher überschreiten die Kurven A1, A2, A3 und dergleichen in 2 die gestrichelten Linien C1, C2, C3 und dergleichen in der +-Richtung (d. h., in der Bearbeitungsrichtung des Werkzeugs 11) nicht. Des Weiteren erfolgt durch Definieren des Schwingungsbefehls, wie durch die Gleichung (1) dargestellt, wie aus der Kurve A1 in 3 zu ersehen ist, eine Gestaltung so, dass eine große Schwingung nicht von Beginn an in der Vorschubrichtung des Werkzeugs 11 am Ausgangspunkt der Bearbeitung (der Position von 0 Grad der horizontalen Achse) erscheint. Es ist zu beachten, dass die Anfangswerte der jeweiligen Parameter (K und I in Gleichung (1)), die angepasst werden, wenn die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude bestimmt werden, vor dem Betrieb der Werkzeugmaschine 10 in einer (nicht dargestellten) Speichereinheit gespeichert werden. Die Drehzahl (S) des Werkstücks W wird im Voraus als Bearbeitungsbedingung in der (nicht dargestellten) Speichereinheit gespeichert. Der Vorschubbetrag je Drehung F wird aus der Drehzahl (S) und dem Positionsbefehl berechnet, der durch die Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22 erzeugt wird.
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Beispielsweise wird in einem Fall, in dem das bearbeitete Werkstück eine zylindrische Form oder eine Säulenform aufweist, die Schwingung entlang der Bearbeitungsrichtung durchgeführt, bei der es sich um die Richtung der Vorschubachse M1 (z-Achse) entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W handelt. Demgegenüber wird in einem Fall, in dem das bearbeitete Werkstück eine konische Form, eine Form eines Kegelstumpfes (eine verjüngte Form) oder eine Bogenform aufweist, die Schwingung entlang einer Schrägrichtung entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W, d. h., entlang der Bearbeitungsrichtung durchgeführt, bei der es sich um eine zusammengesetzte Richtung aus der Richtung der Vorschubachse M1 (z-Achse) und der Richtung der Vorschubachse M2 (x-Achse) handelt. Die Schwingungsbefehls-Berechnungseinheit 231 der Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 berechnet den Schwingungsbefehl auf Grundlage der Schwingungsamplitude und der Schwingungsfrequenz aus der Gleichung (1).
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Die Steuereinheit 26 weist eine Funktion zum Berechnen eines Drehmomentbefehls und zum Steuern der Vorschubachsen M1 und M2 auf Grundlage eines zusammengesetzten Befehls (zum Beispiel eines Positionsbefehlswerts) auf, der durch Addieren des oben erwähnten Schwingungsbefehls zu der Positionsabweichung gewonnen wird, bei der es sich um die Differenz zwischen dem oben erwähnten Positionsbefehl und den Ist-Positionen der Vorschubachsen M1 und M2 handelt. Die Ist-Positionen der Vorschubachsen M1 und M2 entsprechen dem Positionsrückmeldungswert, der durch eine Positionserkennungseinheit wie zum Beispiel Drehgeber gewonnen wird, die an den Vorschubachsen M1 und M2 angebracht sind (nicht dargestellt).
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Die Steuereinheit 26 beinhaltet die Addiereinrichtungen 241 und 242, die Subtrahiereinrichtungen 251 und 252, die Lernsteuereinheit 27 und die Positions-Geschwindigkeits-Steuereinheit 28. Die Subtrahiereinrichtung 251 gewinnt die Positionsabweichung, bei der es sich um die Differenz zwischen einem Positionsbefehl (Bewegungsbefehl), der durch die Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22 berechnet wird, und einer Positionsrückmeldung (einer Ist-Position) von dem Drehgeber in den Vorschubachsen M1 und M2 handelt. Die Addiereinrichtung 241 addiert die Positionsabweichung, die von der Subtrahiereinrichtung 251 ausgegeben wird und durch Integration und die Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit 23 gewonnen wird, wodurch ein zusammengesetzter Befehl berechnet wird. Die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 schätzt eine geschätzte Positionsabweichung aus einem Bewegungsbefehl, der durch die Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22 berechnet wird. Eine ausführliche Beschreibung der Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 wird im Folgenden gegeben. Die Subtrahiereinrichtung 252 subtrahiert eine geschätzte Positionsabweichung, die durch die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 geschätzt wird, von einem zusammengesetzten Befehl, unmittelbar nachdem dieser von der Addiereinrichtung 241 ausgegeben worden ist, wodurch ein zusammengesetzter Befehl berechnet wird.
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Die Lernsteuereinheit 27 führt ein Lernen für eine der Schwingungen der Richtungen der x-Achse und der z-Achse bei der Schwingung des Werkzeugs 11 durch. Die Lernsteuereinheit 27 gibt den von der Subtrahiereinrichtung 252 ausgegebenen zusammengesetzten Befehl ein und gewinnt den Ausgleichsbetrag des zusammengesetzten Befehls durch Durchführen der Lernsteuerung so, dass der Ausgleichsbetrag des zusammengesetzten Befehls verringert wird. Die Addiereinrichtung 242 addiert den durch die Lernsteuereinheit 27 gewonnenen Ausgleichsbetrag zu dem zusammengesetzten Befehl, unmittelbar bevor dieser in die Positions-Geschwindigkeits-Steuereinheit 28 eingegeben wird.
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Die Positions-Geschwindigkeits-Steuereinheit 28 führt eine Positionssteuerung, eine Geschwindigkeitssteuerung und eine Stromsteuerung auf Grundlage des zusammengesetzten Befehls durch, der durch die Lernsteuereinheit 27 ausgeglichen worden ist, und treibt den Servomotor in den Vorschubachsen M1 und M2 an und steuert diesen.
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Es folgt eine ausführliche Beschreibung der Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31. 2 ist ein Schaubild, das die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 der Servosteuereinrichtung 20 darstellt. Wie in 2 dargestellt, beinhaltet die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 eine Vorsteuerungsterm-Integrationseinheit 311, eine 1-Datenübertragungszyklus-Verzögerungseinheit 312, die eine Einheit zum Berechnen einer geschätzten Positionsabweichung bildet, eine Positionsverstärkungsterm-Integrationseinheit 315, die eine Einheit zum Berechnen einer geschätzten Geschwindigkeit bildet, eine Subtrahiereinrichtung 316, die die Einheit zum Berechnen einer geschätzten Positionsabweichung bildet, und eine Addiereinrichtung 317. In der Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 wird die geschätzte Positionsabweichung durch Subtrahieren der geschätzten Geschwindigkeit von einem Bewegungsbefehl vor einem Datenübertragungszyklus gewonnen.
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Genauer gesagt, die Vorsteuerungsterm-Integrationseinheit 311 integriert den Vorsteuerungsterm in dem Bewegungsbefehl von der Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22. Das Produkt des Bewegungsbefehls und des Vorsteuerungsterms wird in die Addiereinrichtung 317 eingegeben. Die Ein-Datenübertragungszyklus-Verzögerungseinheit 312 gibt einen Bewegungsbefehl von der Positionsbefehls-Berechnungseinheit 22 ein und gibt einen Bewegungsbefehl vor einem Datenübertragungszyklus an die Subtrahiereinrichtung 316 aus. Die Subtrahiereinrichtung 316 subtrahiert die geschätzte Geschwindigkeit, die von der Addiereinrichtung 317 ausgegeben wird, von dem Bewegungsbefehl, bevor ein Datenübertragungszyklus von der Ein-Datenübertragungszyklus-Verzögerungseinheit 312 ausgegeben wird. Anschließend wird die Ausgabe von der Subtrahiereinrichtung 316 integriert, um die geschätzte Positionsabweichung zu gewinnen, und wird in die Positionsverstärkungsterm-Integrationseinheit 315 eingegeben. Die Positionsverstärkungsterm-Integrationseinheit 315 integriert den Positionsverstärkungsterm nach der gewonnenen geschätzten Positionsabweichung und gibt das Ergebnis an die Addiereinrichtung 317 aus. Die Addiereinrichtung 317 addiert das Produkt der geschätzten Positionsabweichung und den Positionsverstärkungsterm zu dem Bewegungsbefehl und dem Vorsteuerungsterm, um dadurch die geschätzte Geschwindigkeit zu gewinnen.
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In dem Bearbeitungssystem 1 gemäß der oben erwähnten Gestaltung wird, wie oben beschrieben, die Lernsteuerung so durchgeführt, dass der Ausgleichsbetrag des zusammengesetzten Befehls, in dem die geschätzte Positionsabweichung, die durch die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 geschätzt wird, subtrahiert wird, kleiner wird, wodurch der Ausgleichsbetrag des zusammengesetzten Befehls gewonnen wird und auf diese Weise der Servomotor auf Grundlage des zusammengesetzten Befehls, der durch den Ausgleichsbetrag ausgeglichen wird, angetrieben und gesteuert wird. Wie in 5 dargestellt, weicht die Ist-Position (der Graph der fett gedruckten Linie) daher nicht wesentlich von dem Bewegungsbefehl (dem Graphen der dünn gedrückten Linie) in der Richtung der x-Achse, bei der sich um die horizontale Achse handelt, ab und stimmt folglich im Wesentlichen mit dem Bewegungsbefehl überein. 5 ist ein Graph, der einen Betrieb des Werkzeugs 11 in einem Fall darstellt, in dem die geschätzte Positionsabweichung, die durch die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 geschätzt wird, von einer Positionsabweichung im schwingenden Betrieb subtrahiert worden ist.
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Im Gegensatz dazu lernt die Lernsteuereinheit 27 in einem Fall, in dem die Schätzung noch nicht durch die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 durchgeführt worden ist, sogar die bleibende Regelabweichung. Wie in 4 dargestellt, weicht die Ist-Position (der Graph der fett gedruckten Linie) daher wesentlich von dem Bewegungsbefehl (dem Graphen der dünn gedrückten Linie) in der Richtung der x-Achse, bei der sich um die horizontale Achse handelt, ab. Daher wird zum Beispiel in einem Fall, in dem die Querschnittform des Werkstücks W eine verjüngte Form oder eine Bogenform ist, ein unnötiger Schnitt in dem Werkstück W erzeugt. 4 ist ein Graph, der einen Betrieb des Werkzeugs 11 in einem Fall darstellt, in dem die geschätzte Positionsabweichung, die durch die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 geschätzt wurde, nicht von der Positionsabweichung im schwingenden Betrieb subtrahiert worden ist.
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Die oben beschriebene vorliegende Ausführungsform übt die folgenden Wirkungen aus. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 bereitgestellt, die die geschätzte Positionsabweichung aus dem Bewegungsbefehl schätzt, um zu bewirken, dass sich das Werkstück W und das Werkzeug 11 relativ bewegen, und die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 berechnet den Ausgleichsbetrag aus der Positionsabweichung auf Grundlage des Bewegungsbefehls nach dem Abziehen der geschätzten Positionsabweichung. Mit einer solchen Gestaltung ist es möglich zu verhindern, dass die Ist-Position im Hinblick auf den Bewegungsbefehl wesentlich vorspringt, indem die Lernsteuereinheit 27 sogar die bleibende Regelabweichung lernt. Daher ist es im Besonderen möglich zu verhindern, dass ein unnötiger Schnitt bei der schwingenden Bearbeitung erzeugt wird, und ist es zum Beispiel in einem Fall, in dem die Querschnittform des Werkstücks W eine verjüngte Form oder eine Bogenform ist, möglich zu verhindern, dass ein unnötiger Schnitt bei der schwingenden Bearbeitung erzeugt wird.
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Des Weiteren beinhaltet bei der vorliegenden Ausführungsform die Positionsabweichungs-Schätzeinheit 31 die Einheit zum Berechnen einer geschätzten Geschwindigkeit (die 1-Datenübertragungszyklus-Verzögerungseinheit 312, die Positionsverstärkungsterm-Integrationseinheit und die Subtrahiereinrichtung 316), die die geschätzte Geschwindigkeit aus der Positionsverstärkung und dem Bewegungsbefehl berechnet, und die Einheit zum Berechnen einer geschätzten Positionsabweichung (die Positionsverstärkungsterm-Integrationseinheit 315 und die Subtrahiereinrichtung 316), die die geschätzte Positionsabweichung aus dem Bewegungsbefehl und der geschätzten Geschwindigkeit berechnet, und schätzt die geschätzte Positionsabweichung aus dem Bewegungsbefehl und der geschätzten Geschwindigkeit und stellt das Ergebnis der Subtrahiereinrichtung bereit. Mit einer solchen Gestaltung kann die geschätzte Geschwindigkeit durch Addieren der Positionsverstärkung (position gain, PG) zu dem Vorsteuerungs(feedforward, FF)-Term gewonnen werden, wodurch ermöglicht wird, eine ideale Positionsabweichung zu schätzen.
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Wenngleich oben eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben worden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und sind verschiedene Modifizierungen und Varianten möglich. Beispielsweise wird bei der oben beschriebenen Ausführungsform eine Gestaltung beispielhaft dargestellt, bei der das Werkzeug 11 entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W schwingt, wenn sich das Werkstück W dreht; jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Gestaltung beschränkt. Eine Gestaltung kann so erfolgen, dass die Werkzeugmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung das Werkstück W durch Steuern der Spindel M0, die bewirkt, dass sich das Werkstück W und das Werkzeug 11 relativ um die Mittelachsenlinie des Werkstücks W drehen, und zumindest zweier Vorschubachsen M1 und M2 usw. bearbeitet, die das Werkstück W und das Werkzeug 11 in der Bearbeitungsrichtung entlang der Mittelachsenlinie relativ vorschieben. Beispielsweise kann eine Gestaltung angenommen werden, bei der sich das Werkzeug 11 um die Mittelachsenlinie des Werkstücks W dreht und das Werkstück W im Hinblick auf das Werkzeug 11 schwingt oder sich das Werkstück W dreht und das Werkstück W in der Richtung entlang der erzeugenden Linie der äußeren Umfangsfläche des Werkstücks W im Hinblick auf das Werkzeug 11 schwingt. Die vorliegende Erfindung beinhaltet darüber hinaus als eine Art der Bearbeitung ein Bearbeitungsverfahren zum Schneiden des Werkstücks W, indem bewirkt wird, dass das Werkzeug 11 sich um die Mittelachsenlinie dreht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bearbeitungssystem
- 10
- Werkzeugmaschine
- 11
- Werkzeug
- 20
- Servosteuereinrichtung
- 23
- Schwingungsbefehls-Erzeugungseinheit
- 27
- Lernsteuereinheit (Lernsteuereinheit)
- 31
- Positionsabweichungs-Schätzeinheit
- 241, 242
- Addiereinrichtung (Addiereinrichtung)
- 251, 252
- Subtrahiereinrichtung (Subtrahiereinrichtung)
- 312
- 1-Datenübertragungszyklus-Verzögerungseinheit (Einheit zum Berechnen einer geschätzten Geschwindigkeit)
- 315
- Positionsverstärkungsterm-Integrationseinheit (Einheit zum Berechnen einer geschätzten Geschwindigkeit, Einheit zum Berechnen einer geschätzten Positionsabweichung)
- 316
- Subtrahiereinrichtung (Einheit zum Berechnen einer geschätzten Geschwindigkeit, Einheit zum Berechnen einer geschätzten Positionsabweichung)
- M0
- Spindel
- M1, M2
- Vorschubachse
- W
- Werkstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 6416218 [0002, 0003]
- JP 5606658 [0002, 0003]
