DE4228333A1

DE4228333A1 - Zerspanungsvorrichtung

Info

Publication number: DE4228333A1
Application number: DE4228333A
Authority: DE
Inventors: Masao Itoh; Masataka Inagi; Sunao Kawada; Toyotsugu Itoh; Takayoshi Hashimoto
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 1991-08-26
Filing date: 1992-08-26
Publication date: 1993-03-04
Also published as: US5506786A

Description

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine zum spa nenden Bearbeiten eines in einem Bilderzeugungsgerät verwendeten metallischen zylindrischen Elements.

Auf dem Gebiet der Ultra-Präzisionsbearbeitung, bei spielsweise der spanenden Bearbeitung von Photorezep tortrommeln oder Magnetplattenträgern, wird im allge meinen eine Hochglanz-Fertigbearbeitung durchgeführt. Bei der Kontrolle von Produkten mit einer Spiegel- bzw. Hochglanz-Oberfläche ist nicht nur die maßliche und konfigurative Genauigkeit von Bedeutung, sondern auch die Qualität der Hochglanz-Fertigbearbeitung; selbst ein so geringer Fehler wie ein etwa 10 µm breiter Kratzer ist nicht zulässig.

Wenn die Oberfläche eines der Hochglanz-Fertigbearbei tung unterzogenen Produkts kontrolliert wird, wird ge genwärtig eine visuelle Prüfung durchgeführt. Für diese visuelle Prüfung werden erfahrene Mitarbeiter benötigt. Demzufolge entstehen Probleme, wenn die Bearbeitung automatisiert wird.

Im Hinblick auf die Prüfung von Oberflächenbeschaffen heiten wurden die folgenden Untersuchungen durchge führt:

1) Eine Technik zum Messen der Oberflächenrauheit eines Werkstücks mittels Streulicht, erzielbar durch Projizieren von Laserstrahlen auf die Ober fläche des Werkstücks ("In-process Roughness Measurement of Mirror Turned Surfaces by Diffracted Light" von Kenji Morita und Yoichi Kawakubo, Journal of the ISPE, 1988, Seiten 642 bis 646).
2) Eine Technik zum Messen und Bewerten feiner Fehl stellen auf einer spanend bearbeiteten Oberfläche mittels Streulicht, erzeugt durch Projizieren von Laserstrahlen auf die Oberfläche eines Werkstücks. (Siehe "Measurement of Fine Scratches by Scattering of Electromagnetic Waves" von Takashi Miyoshi, Y. Kang und Katsumasa Saito, Journal of the ISPE, 1988, Seiten 1095 bis 1100).
3) Eine Technik zum berührungslosen Messen der Ober flächenrauheit mittels des Grenzwinkel-Verfahrens unter Verwendung eines Laserstrahls. (In: "Outline of In-process Measurement and Workpiece - Referred from Accuracy Control" von Tsuguo Kohno, veröf fentlicht im Begleitheft des vom ISPE veranstalte ten Symposiums, 1990, Seiten 1-5).
Bearbeitungsbedingungen bzw. -zustände wurden unter besonderer Beachtung von im Bearbeitungsprozeß er zeugten Vibrationen, akustischen Emissionen und des Wärmestroms überwacht; dabei wurden die folgenden Untersuchungen durchgeführt:
4) Eine Technik zum Überwachen verhakter bzw. fest sitzender Späne unter Berücksichtigung des Wärme stroms. (In: "Realization of a machining environment based on measurement of heat fluxes - Evaluation of appropriateness of the result of measurement" von H. Nino, M. Rahman und T. Inaba, Vorabdruck der ISPE, September 1990, Seiten 583- 584).
5) Eine Technik zur Verschleißerkennung von Zerspa nungswerkzeugen mittels Ultraschall. (In: "Realization of wear of cutting tools with an ultrasonic wave in-process sensor" von S. Itoh, F. Shirasawa, T. Inaba und Y. Itoh, Vorabdruck der ISPE, September 1990, Seiten 585-586).

Um eine hochgenaue spanende Bearbeitung durchzuführen, wurde der folgende Versuch unternommen: Entsprechend dem Ergebnis der Messung der Gestalt eines Werkstücks wird eine Rückkopplungs-Regelung durchgeführt, um die Schnittiefe zu steuern. (In: "Outline of In-process Measurement and Workpiece-Referred from Accuracy Control" von T. Kohno, veröffentlicht im Begleitheft des vom ISPE durchgeführten Symposiums, 1990, Seiten 1-5).

Es ist ein Ziel der bisherigen Techniken, bei denen während des Bearbeitungsprozesses auftretende Schwin gungen oder AE-Signale überwacht werden, Verschleiß oder Beschädigung eines Zerspanungswerkzeugs zu ermit teln. Bei der herkömmlichen Technik, bei der der Wärme strom überwacht wird, ist es schwierig, eine sich schnell ändernde Erscheinung zu erkennen, weil Informa tion über Wärme nur mit zeitlicher Verzögerung übertra gen wird. Die vorstehend beschriebene konventionelle Technik ist für Präzisionsbearbeitung auf normalem Niveau geeignet, nicht aber für Ultra-Präzisionszerspa nungsbearbeitung.

Optische Meßverfahren unter Verwendung von Laserstrah len weisen folgende Nachteile auf:

Wird die Oberflächengestalt oder Rauheit mittels Laser strahlen optisch gemessen, ist es schwierig, die Spitze des Zerspanungswerkzeugs mit einem Punkt in Übereinstim mung zu bringen, an dem die Messung mittels eines Sen sors durchgeführt wird. Folglich kann der Sensor keine Informationen an dem Punkt ermitteln, an dem die Bear beitung durchgeführt wird; deshalb liegt ein kleiner Unterschied zwischen der ermittelten Information und der Information des Punktes, an dem die Bearbeitung ge rade durchgeführt wird, vor.

Beim tatsächlichen Bearbeitungsprozeß wird ein Schneid- Schmiermittel eingesetzt. Bei Verwendung eines opti schen Meßverfahrens wird das Ergebnis der Messung des halb durch das Schneid-Schmiermittel beeinflußt. Daher ist es schwierig, das optische Meßverfahren bei prakti schen Produktionsprozessen einzusetzen. Wird das opti sche Meßverfahren dennoch eingesetzt, muß das Werkstück nach der Bearbeitung gemessen werden, wodurch Zeit für die Kontrolle benötigt wird.

Deshalb haben die Erfinder ihr Augenmerk auf die im Be arbeitungsprozeß erzeugte Schnittkraft gerichtet. Der Grund wird im folgenden erläutert: Die Schnittkraft ist eine physikalische Größe, die an einem Punkt erzeugt wird, an dem die Bearbeitung ausgeführt wird. Entspre chend ändert sich die Schnittkraft in Abhängigkeit von Änderungen der Gestalt oder der Rauheit der Werkstück- Oberfläche.

Um einen Bearbeitungszustand eines Werkstücks aus den im Bearbeitungsprozeß erzeugten Schnittkraft-Daten bzw. -Werten beurteilen zu können, wurden die Kriterien expe rimentell ermittelt; um den Einfluß aus Schwankungen der Schnittkraft zu verringern, wurde den Kriterien eine große Toleranz zugeordnet.

Folglich sind die Kriterien nicht für Ultra-Präzisions bearbeitung geeignet, bei der der Bearbeitungszustand sich geringfügig verändert.

Wird ein Sensor während des Bearbeitungsprozesses be schädigt, kann die Beschädigung des Sensors nicht er kannt werden, so daß die nachfolgende Beurteilung un genau oder unmöglich wird.

Das automatische Einstellen eines einkristallinen Dia mant-Zerspanungswerkzeugs auf dem Gebiet der Ultra-Prä zisionsbearbeitung wurde bis jetzt weder erforscht noch entwickelt. Entsprechend werden die Einstellungen eines Zerspanungswerkzeugs durch einen erfahrenen Mitarbeiter durchgeführt. Das Zerspanungswerkzeug wird mittels Annä herungsverfahren auf einer Zerspanungsvorrichtung befe stigt, so daß es lange dauert, das Zerspanungswerkzeug einzurichten, wodurch die Produktivität nicht verbes sert werden kann.

Wie vorher beschrieben, wird ein optisches Verfahren unter Verwendung von Laserstrahlen zum Messen des Zu standes einer Oberfläche untersucht. Dieses Meßverfah ren wurde jedoch nicht auf das automatische Einstellen eines Zerspanungswerkzeugs angewandt.

Wird das optische Meßverfahren eingesetzt, ist es not wendig, daß das Werkstück nach der Durchführung einer Testbearbeitung gemessen wird, wodurch eine lange Zeit für die Messung benötigt wird. Um die Produktivität zu verbessern, muß deshalb die Meßzeit verringert werden. Darüber hinaus wird bei der praktischen Bearbeitung ein Schneid-Schmiermittel verwendet, so daß das optische Meßverfahren durch das Schmieröl beeinflußt wird. Um die Zuverlässigkeit der Messung zu verbessern, ist es deshalb notwendig, das Schneid-Schmiermittel von der Oberfläche des Werkstücks zu entfernen.

Die Erfinder haben die beim Bearbeitungsprozeß erzeugte Schnittkraft untersucht, so daß die Schnittkraft wäh rend der Messung als ein Parameter verwendet werden kann. Folgendes war bekannt: wenn die Spitzenhöhe oder der Zerspanungswerkzeug-Einstellwinkel geringfügig geän dert wird, ändert sich bei Ultra-Präzisionszerspanungs bearbeitung der Oberflächenzustand. Da die maschinelle Bearbeitung den Gesetzen der Dynamik unterliegt, ändert sich die Schnittkraft, wenn der Oberflächenzustand ge ändert wird.

Auf dem Gebiet der Ultra-Präzisionszerspanungsbearbei tung, genauer auf dem Gebiet der maschinellen Bearbei tung eines Photorezeptorwalzen-Grundkörpers oder eines Magnetscheiben-Trägermaterials, wird ein Diamant-Zerspa nungswerkzeug mit einem natürlichen Einkristall einge setzt, um eine Spiegel- bzw. Hochglanzoberfläche zu er halten. Selbst wenn das Zerspanungswerkzeug entspre chend eingestellt ist, verfangen sich Späne oder es werden Kratzer auf der Oberfläche eines Werkstückes verursacht, wenn das Schneid-Schmiermittel nicht ent sprechend oder ausreichend zugeführt wird oder Späne nicht sorgfältig entfernt oder eingesammelt werden.

Die Zuführung von Schneid-Schmiermittel und die Entfer nung von Spänen werden durch einen Mitarbeiter einge stellt, der die Zustände der Schneid-Schmiermittelzu führung und der Späneentfernung überwacht.

Bisher wurde eine automatische Einstellung der Schneid- Schmiermittelzufuhr und der Späneentfernung auf dem Ge biet der Ultra-Präzisionsbearbeitung noch nicht er forscht und entwickelt. Deshalb werden im wirklichen Bearbeitungsbetrieb Schneid-Schmiermittelzufuhr und Späneentfernung empirisch bzw. durch Versuche einge stellt.

Wie bereits beschrieben wurde, wurde ein optisches Meß verfahren mit Laserstrahlen untersucht, um den Oberflä chenzustand eines Werkstücks zu messen. Das optische Verfahren wurde jedoch nicht auf die Einstellung der Schneid-Schmiermittelzufuhr und der Späneentfernung angewandt.

Wird das optische Meßverfahren angewandt, muß ein Werkstück nach Durchführung einer Testbearbeitung ge messen werden, so daß die Messung eine lange Zeit be nötigt. Um die Produktivität zu verbessern, muß des halb die Meßzeit verringert werden. Darüber hinaus wird bei der praktischen Bearbeitung ein Schneid-Schmiermit tel verwendet, so daß das optische Meßverfahren durch das Schmieröl beeinflußt wird. Um die Zuverlässigkeit der Messung zu verbessern, ist es deshalb notwendig, das Schneid-Schmiermittel von der Oberfläche des Werk stücks zu entfernen.

Bisher werden die Schneid-Schmiermittelzufuhr und die Späneentfernung durch einen Arbeiter überwacht und eingestellt. Entsprechende Handlungen können deshalb nicht rechtzeitig ausgelöst werden, wodurch eine große Anzahl fehlerhafter Produkte in Folge produziert wird.

Dementsprechend haben die Schneid-Schmiermittelzufuhr und die Späneentfernung einen bedeutenden Einfluß auf das Ergebnis einer maschinellen Bearbeitung.

Die Erfinder haben die im Bearbeitungsprozeß erzeugte Schnittkraft untersucht, so daß die Schnittkraft als ein Parameter während der Messung verwendet werden kann. Bisher war bekannt: wenn der Zustand der Schneid- Schmiermittelzufuhr oder der Späneentfernung geringfü gig verändert wird, ändert sich der Oberflächenzustand eines Werkstücks im Prozeß der Ultra-Präzisionszerspa nungsbearbeitung. Da die maschinelle Bearbeitung den Ge setzen der Dynamik unterliegt, ändert sich die Schnitt kraft, wenn sich der Oberflächenzustand ändert.

Wenn eine ungewöhnlich hohe Schnittkraft auf einen Kraftsensor einwirkt oder der Kraftsensor mit einem Gegenstand kollidiert, wird der Kraftsensor beschädigt und ist nur schwer reparierbar. Demzufolge muß eine Schutzvorrichtung vorgesehen werden, um den Kraftsen sor vor einer Überlastung über einen vorbestimmten Be reich hinaus zu schützen.

Im allgemeinen wird die Schutzvorrichtung eines Kraft sensors auf die folgende Weise angeordnet: An der Außenwand des Kraftsensors ist ein kräftiger Block an gebracht, wobei zwischen der Blockoberfläche und der Außenwand eines Zerspanungswerkzeughalters ein kleiner Spalt vorgesehen ist. Der Spalt kann mittels eines Schraubenmechanismus eingestellt werden. Wirkt eine große Kraft auf den Kraftsensor ein, wird eine unge wöhnlich große Verformung des Sensors durch den Block verhindert. In diesem Fall muß der genannte Spalt in einem Bereich von einigen Mikrometern bis einigen zehn Mikrometern eingestellt werden. Es ist daher schwierig, den Spalt mit dem Schraubenmechanismus so genau zu justieren. Entsprechend dauert es auch sehr lange, den Schraubenmechanismus einzustellen. Das bedeutet, daß es schwierig ist, die Beschädigung des Kraftsensors mit einer vorstehend beschriebenen Anordnung zu verhindern.

Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der genann ten Probleme entwickelt. Es ist eine vordringliche Auf gabe der Erfindung, eine Zerspanungsvorrichtung zur An wendung auf dem Gebiet der Ultra-Präzisionsbearbeitung bereitzustellen, wobei die Zerspanungsvorrichtung den Zerspanungszustand und die Gestalt eines Werkstücks in Echtzeit feststellen und erkennen kann, damit die er mittelten Informationen zum Zerspanungsvorgang bzw. Zer spanungsbetrieb rückgekoppelt werden können.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Zerspanungsvorrichtung zur Anwen dung auf dem Gebiet der Ultra-Präzisionsbearbeitung, bei der ein Zerspanungswerkzeug extrem zweckmäßig einge stellt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Einstelleinrichtung zur Anwendung auf dem Gebiet der Ultra-Präzisionsbearbeitung, wobei die Einstelleinrichtung den Schneid-Schmiermittelzufuhr zustand und den Spanentfernungs-Zustand extrem zweck mäßig einstellen kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstel lung einer Zerspanungsvorrichtung, die dadurch gekenn zeichnet ist, daß der verfügbare Bereich eines Kraft sensors sehr genau eingestellt wird, so daß Beschädi gung des Kraftsensors verhindert werden kann,.

Die vorstehenden Aufgaben können durch eine Zerspanungs vorrichtung gelöst werden, durch die ein dünner metalli scher Zylinder zur Verwendung in einem Bilderzeugungsge rät bearbeitet wird, und die Zerspanungsvorrichtung um faßt: eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Schnittkraft, die in einem Zerspanungswerkzeug beim Zerspanen des Werkstücks erzeugt wird, eine Speicherein richtung zum Abspeichern einer Anzahl von von der ge nannten Erfassungseinrichtung übermittelten Betriebsmu stersignalen, die im voraus entsprechend dem Oberflä chenzustand des mit der Zerspanungsvorrichtung bearbei teten dünnen metallischen Zylinders klassifiziert bzw. eingeteilt werden, und eine Vergleichseinrichtung, die ein von der Erfassungseinrichtung im Zerspanungsprozeß ausgesendetes Ausgangssignal mit den in der Speicherein richtung gespeicherten mehreren Betriebsmustersignalen vergleicht, wobei die Zerspanungsvorrichtung den Zerspa nungszustand des dünnen metallischen Zylinders in Echt zeit ermittelt, wenn das im Zerspanungsprozeß übermit telte Ausgangssignal und das zuvor in Übereinstimmung mit aus einem Testbearbeitungsprozeß gewonnenen Schnitt kraftdaten eingestellt Betriebsmustersignal überprüft bzw. ausgewertet wurden.

Die vorgenannte Aufgabe kann mittels einer Zerspanungs vorrichtung zum Zerspanen eines dünnen metallischen Zy linders gelöst werden, wobei sie umfaßt: eine Erfas sungseinrichtung zum Erfassen einer Schnittkraft, die in einem Zerspanungswerkzeug beim Zerspanen des Werk stücks auftritt, einen Verstellmechanismus, der das Zer spanungswerkzeug beim Einstellen des Zerspanungswerk zeugs fixiert und verstellt, eine Speichereinrichtung zum Abspeichern einer Anzahl von von der Erfassungsein richtung übermittelten Betriebsmustersignalen, die ent sprechend dem Oberflächenzustand eines mit der Zerspa nungsvorrichtung bearbeiteten dünnen metallischen Zy linders klassifiziert werden, und eine Vergleichsein richtung, die ein von der Erfassungseinrichtung im Zerspanungsprozeß übermitteltes Ausgangssignal mit den in der Speichereinrichtung gespeicherten mehreren Be triebsmustersignalen vergleicht, wobei ein eingestell ter Winkel des Zerspanungswerkzeugs von dem Ausgangs signal so gesteuert wird, daß ein durch Teilung eines Schnittkraft-Schwankungswerts durch einen Schnittkraft- Durchschnittswert ermittelter Wert minimal sein kann.

Die genannte Aufgabe kann durch eine Zerspanungsvorrich tung gelöst werden, durch die ein dünner metallischer Zylinder zur Verwendung in einem Bilderzeugungsgerät maschinell bearbeitet wird, wobei die Zerspanungsvor richtung umfaßt: eine Erfassungseinrichtung zum Erfas sen einer Schnittkraft, die in einem Zerspanungswerk zeug beim Zerspanen des Werkstücks auftritt, eine Spei chereinrichtung zum Abspeichern einer Anzahl von von der Erfassungseinrichtung übermittelten Betriebsmuster signalen, die entsprechend dem Oberflächenzustand des mit der Zerspanungsvorrichtung bearbeiteten dünnen metallischen Zylinders klassifiziert sind bzw. werden, und eine Vergleichseinrichtung, die ein von der Erfas sungseinrichtung im Zerspanungsprozeß übermitteltes Aus gangssignal mit den in der Speichereinrichtung gespei cherten mehreren Betriebsmustersignalen vergleicht, wo bei mindestens einer der Schneid-Schmiermittel-Versor gungszustände bezüglich des Zerspanungswerkzeugs und des Späneentfernungszustands automatisch in Echtzeit erfaßt wird, wenn der im Zerspanungsprozeß übermittelte Ausgangswert durch die Vergleichseinrichtung mit den mehreren in der Speichereinrichtung gespeicherten Be triebsmustersignalen verglichen wird.

Die vorstehende Aufgabe kann auch durch eine Zerspa nungsvorrichtung gelöst werden, durch die ein dünner metallischer Zylinder zur Verwendung in einem Bilder zeugungsgerät maschinell bearbeitet wird, wobei die Zerspanungsvorrichtung umfaßt: einen auf einem Zerspa nungswerkzeughalter vorgesehenen Kraftsensor zum Erfas sen einer im Zerspanungsprozeß erzeugten Schnittkraft, wobei ein Arbeitsbereich des Kraftsensors durch ein piezoelektrisches Element gesteuert wird, um eine Be schädigung des Kraftsensors zu verhindern.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden, in denen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Zerspa nungsvorrichtung,

Fig. 2a bis 2e Darstellungen von Ausgangswellen formen der im Zerspanungsprozeß erzeugten Schnittkraft,

Fig. 3 einen Ablaufplan eines Prozesses zum Ein stellen oberer und unterer Kriterien bzw. Merkmale; mit denen die Beurteilung durch geführt wird,

Fig. 4a bis 4c Darstellungen der Beziehung zwi schen der Veränderung der Schnittkraft und der Abweichung des Ausgangssignals,

Fig. 5a bis 5c Darstellungen der Abweichung der im Zerspanungsprozeß erzeugten Schnittkraft,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Zerspanungs vorrichtung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines wesent lichen Bereichs der Zerspanungsvorrichtung,

Fig. 8 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Be reich der Zerspanungsvorrichtung,

Fig. 9 eine Schnittdarstellung entlang der Linie IV-IV in Fig. 8,

Fig. 10 eine Darstellung von Wellenformen eines Schnittkraftausgangssignals entsprechend einem normalen Zerspanungszustand, in dem eine Spiegel- bzw. Hochglanzoberfläche erhalten wird,

Fig. 11 eine graphische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Zerspanungswerkzeug-Einstell winkel und einer Schwankung sowie eines Durchschnittswerts der Schnittkraft,

Fig. 12 eine graphische Darstellung einer Beziehung zwischen einem Zerspanungswerkzeug-Einstell winkel und einer Schwankung/einem Durch schnittswert der Schnittkraft,

Fig. 13 eine schematische Darstellung der Einstell positionen einer Zerspanungsvorrichtung,

Fig. 14 eine schematische Darstellung einer Lagebe ziehung zwischen Zerspanungswerkzeug und Werkstück,

Fig. 15 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Zerspanungsvorrichtung,

Fig. 16-a eine schematische Darstellung einer Schneid Schmiermittel-Zufuhreinrichtung,

Fig. 16-b eine schematische Darstellung eines wesent lichen Bereichs der Schneid-Schmiermittel Zufuhreinrichtung,

Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Ein stellvorrichtung einer Spanentfernungs- bzw. Sammelhaube,

Fig. 18 eine Darstellung von Wellenformen eines Schnittkraft-Ausgangssignals entsprechend einem normalen Zerspanungszustand, bei dem eine Spiegel- bzw. Hochglanzoberfläche erhalten werden kann,

Fig. 19a bis 19c Diagramme der Wellenformen von Schnittkraft-Ausgangssignalen entsprechend verschiedenen Zerspanungszuständen,

Fig. 20 eine schematische Darstellung einer Zerspa nungsvorrichtung,

Fig. 21 ein Diagramm einer Wellenform eines Schnitt kraft-Ausgangssignals, und

Fig. 22 eine Darstellung des detaillierten Aufbaus eines Zerspanungswerkzeughalters.

Eine Ausführungsform der Zerspanungsvorrichtung der Er findung wird im folgenden erklärt. Die Fig. 1 bis 5 zeigen die erste Ausführungsform, wobei Fig. 1 eine schematische Darstellung der Zerspanungsvorrichtung ist und die Fig. 2a bis 2e Ausgangswellenformen der Schnittkraft zeigen.

Eine Zerspanungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist zum Zerspanen eines dünnen metallischen Zylinders zur Verwendung in einem Bilderzeugungsgerät vorgesehen. Eine Drehbank 2 zerspant eine Photorezeptorwalze 1, die ein dünnes metallisches Zylinderelement ist, das in einem Kopierer oder Laserdrucker Verwendung findet. Die Drehbank 2 ist dazu mit einem Zerspanungswerkzeughalter 3 ausgestattet. Ein Kraftsensor 4 zum Erfassen der Schnittkraft ist an dem Werkzeughalter 3 befestigt.

Dieser Kraftsensor 4 umfaßt eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer auf das Zerspanungswerkzeug A einwir kenden Schnittkraft.

Ein durch den Kraftsensor 4 erzeugtes Ausgangssignal wird durch einen Belastungs-Verstärker 5 verstärkt, durch einen A/D-Wandler 6 in ein digitales Signal ge wandelt und dann in eine Recheneinheit (Computer) 7 ein gespeist. Die Recheneinheit 7 ist mit einem Speicher und einer (Speicher-)Scheibe verbunden, die eine Spei chereinrichtung 8 bilden. Eine Anzahl von Betriebsmu stersignalen, die entsprechend dem Oberflächenzustand eines Werkstücks klassifiziert im Speicher gespeichert sind, und ein vom Kraftsensor 4 erzeugtes Ausgangssignal werden durch eine Vergleichseinrichtung 9 verglichen, um den Zerspanungszustand zu ermitteln. In der Rechen einheit 7 wird ein Signal zur Steuerung der Zerspanung erzeugt. Das Steuersignal wird über eine digitale I/O- Karte und eine RS232C-Schnittstelle zu einer NC-Einheit oder zu einer Ablauffolge- bzw. Programmgebereinheit 10 zur Steuerung der Drehbank 2 weitergeleitet.

Das durch den Kraftsensor 4 erzeugte Ausgangssignal kann nach einer Filterung mit einem Tiefpaßfilter, einem Hochpaßfilter und einem Bandpaßfilter dem A/D- Wandler 6 zugeleitet werden. Die beschriebene Filte rung kann in der Software durchgeführt werden, nachdem das Steuersignal durch den A/D-Wandler 6 A/D-gewandelt wurde, so daß ein Rauschen aus dem Signal entfernt wer den kann.

Ein Verfahren zum Erfassen einer während eines Zerspa nungsprozesses auf ein Zerspanungswerkzeug einwirkenden Schnittkraft ist in: "Trial of a Monoblock Type 3-directional Force Sensor Holder for Disc Substrates of magnetic memory discs" von Y. Hatamura und M. Adachi, Vorabdruck der ISPE, November 1989, Seiten 547- 548, beschrieben. Wie in diesem Aufsatz beschrieben, kann ein Schnittkraft-Erfassungshalter mit einem darin integral eingesetzten Werkzeug verwendet werden. Die Größe dieses Halters entspricht der eines gewöhnlichen Halters, so daß der Halter eine kompakte Gestalt und eine hohe Steifheit aufweist. Wenn dieser Halter in der Praxis eingesetzt wird, kann eine Hochglanzoberfläche erzielt, und die Gestalt so genau wie mit einem herkömm lichen Halter erzeugt werden; das wurde durch einen Ver such festgestellt.

Beispielsweise kann als Belastungs-Verstärker 5 der Be lastungs-Verstärker DPM613B von Kyowa Dengyo, als A/D- Wandler die A/D-Wandlerkarte ADX-98E von Canopus Co., als Schnittstellenkarte die I/O-Karte PIO-24/24(98) von Contec Co. und als Recheneinheit der PC-9801UV von NEC Co. verwendet werden.

Im folgenden wird ein Beispiel beschrieben; bei dem eine Zerspanungsvorrichtung zum Ermitteln des Zerspa nungszustands verwendet wurde. Der Photorezeptor-Wal zenkörper 1 aus einem dünnen Aluminiumzylinder wurde mit der Zerspanungsvorrichtung zerspannt, wobei das Mate rial des dünnen Zylinders A5805 war, der Durchmesser 60 mm und die Dicke 1 mm betrugen. Es wurde ein flaches bzw. ebenes Zerspanungswerkzeug aus einem natürlichen einkristallinen Diamant eingesetzt. Die Zerspanungsbe dingungen waren wie folgt: Die Spindeldrehzahl betrug 6000/min (6000 rpm), die Vorschubgeschwindigkeit 0,2 mm/Umdr. und die Schnittiefe 20 µm.

Bei der Bearbeitung des Photorezeptor-Walzenkörpers 1 ist es wichtig, hervorragende Oberflächenbedingungen einzuhalten. Insbesondere müssen Fehler wie Vibratio nen, Kratzer, verhakte Späne und nicht zerspante Be reiche vermieden werden. Diese Fehler werden üblicher weise mittels einer visuellen Kontrolle durch einen Arbeiter geprüft. Man fand jedoch heraus, daß die vor stehenden Fehler aus den Ausgangssignalen ermittelt werden können, wenn die Muster von Schnittkraftausgangs signalen klassifiziert sind.

Wenn die Schnittkraft erfaßt wird, wird zunächst über prüft, ob der Kraftsensor 4 normal arbeitet. Diese Über prüfung wird, insbesondere wie folgt durchgeführt. Im Kraftsensor 4 wird eine Kraft mit einem Dehnungsmeß streifen in eine Dehnung bzw. Belastung umgewandelt, wobei die Schaltung vor dem Start des Betriebs mit dem Belastungs-Verstärker 5 abgeglichen ist. Liegt ein nach dem Abgleich der Schaltung erzeugtes Ausgangssignal in einem vorgegebenen Bereich, wird der Kraftsensor 4 als im Normalbetrieb befindlich eingestuft. Liegt ein Fehler vor, wie beispielsweise eine Unterbrechung im Schaltkreis des Sensors 4, liegt das nach dem Abgleich der Schaltung erzeugte Ausgangssignal außerhalb des vorbestimmten Bereichs, und der Kraftsensor 4 wird als nicht im normalen Betrieb befindlich eingestuft.

Die Fig. 2-a zeigt eine Wellenform eines Ausgangssi gnals einer Schnittkraft, die einem normalen Zerspa nungszustand entspricht, bei dem eine Spiegel- bzw. Hochglanzoberfläche von 0,2 S bis 0,3 S erzielt werden kann. Gleichzeitig mit dem Zerspanungs- bzw. Schnittbe ginn wird die Schnittkraft erfaßt. Wenn der Anstieg des Ausgangssignals der Schnittkraft beachtet wird, kann der Zerspanungsbeginn automatisch beurteilt werden. Das Ausgangssignal kehrt gleichzeitig mit dem Ende des Zerspanungsvorgang auf ungefähr Null zurück. Entsprechend wird das Ende der Zerspanung automatisch beurteilt, wenn dieser Abfall des Signals beachtet wird.

Die Fig. 2-b zeigt eine Wellenform eines Ausgangssi gnals in dem Fall, in dem Vibrationen in einem Werk stück aufgetreten sind. Sind Vibrationen aufgetreten, haben sich Fehler-Schwingungsmarken auf der Oberfläche des Werkstücks gebildet. Vibrationen werden verursacht, wenn die Schnittkraft aufgrund von Verschleiß eines Zerspanungswerkzeugs ansteigt oder wenn das erschüt terungssichere Futter nicht ausreichend ist. Gemäß Fig. 2-b steigen die Amplituden der Schwankung der Schnitt kraft allmählich an, verglichen mit der Wellenform eines Ausgangssignals gemäß Fig. 2-a. Entsprechend kann man sagen, daß die Vibrationen durch Resonanz verur sacht werden.

Die Fig. 2-c zeigt eine Wellenform eines Ausgangssi gnals in dem Fall, in dem streifenförmige Kratzer mit einer Breite von einigen mm erzeugt werden. Diese Krat zer werden erzeugt, wenn die Schnittkraft aufgrund von Verschleiß eines Zerspanungswerkzeugs erhöht wird, so daß Glättungs- bzw. Poliereffekte unzureichend werden. In diesem Fall tritt eine impulsförmige Spitze der Schnittkraft auf. Entsprechend den Beobachtungsergebnis sen des bearbeiteten Photorezeptor-Walzenkörpers tritt ein Kratzer an der Stelle auf, die mit einer Spitze in der Wellenform übereinstimmt; die Wellenform des Aus gangssignals stimmt damit vollständig mit der Gestalt des Werkstücks überein.

Die Fig. 2-d zeigt eine Wellenform eines Ausgangssi gnals in dem Fall, in dem sich Späne verfangen bzw. verhaken. Die Oberfläche eines Werkstücks wird durch diese verfangenen Späne beschädigt, so daß das Werk stück fehlerhaft wird. Aus der Zeichnung kann man se hen, daß die Schnittkraft an einer Stelle zunimmt, an der sich Späne verfangen.

Die Fig. 2-e zeigt eine Wellenform eines Ausgangssi gnals in dem Fall, in dem nicht die gesamte Oberfläche eines Werkstücks zerspant wurde. Dieser Fall tritt auf, wenn ein Materialzylinder für die Photorezeptorwalze verformt ist. In diesem Fall kann auf den nicht zerspan ten Bereichen der Oberfläche der Walze keine Spiegel bzw. Hochglanzoberfläche erzielt werden, so daß die Walze ebenfalls fehlerhaft wird. Aus der Zeichnung kann man sehen, daß der Wert des Schnittkraft-Ausgangssi gnals in einem nicht zerspanten Oberflächenbereich der Walze auf Null abfällt.

Die Daten-Abtastfrequenz in den Fig. 2-a bis 2-e be trägt 5 kHz. Zur Vereinfachung sind einige der ermit telten Daten in den Diagrammen weggelassen.

Wie beschrieben, besteht ein Zusammenhang zwischen dem Oberflächenzustand eines Werkstücks und dem Ausgangssi gnal der Schnittkraft. Entsprechend können die Zerspa nungsbedingungen ermittelt werden, wenn die Muster der Übereinstimmung vorher gespeichert sind und diese Mu ster mit den während der Zerspanung des Werkstücks er zeugten Ausgangssignalen verglichen werden.

Die durch Versuchszerspanungen erhaltenen Kriterien wer den in die Betriebsmuster der Schnittkraft, die in der Speichereinrichtung gespeichert sind, einbezogen.

Die Kriterien der Schnittkraft werden entsprechend dem Ablaufschema gemäß Fig. 3 ermittelt.

Beim Durchführen der Versuchszerspanungen werden geeig nete Zerspanungsbedingungen basierend auf Erfahrungen und praktischen Ergebnissen eingestellt. Tritt bei den Versuchszerspanungen ein Problem auf, werden temporäre Kriterien eingestellt.

Die Versuchszerspanungen werden bei jeder Schnittkraft jeweils fünfmal unter normalen Zerspanungsbedingungen durchgeführt. Die durchschnittliche (F_mittel) und die Standardabweichung (F_sigma) werden aus den erhaltenen oberen Spitzen der Schnittkräfte auf die folgende Weise ermittelt: Die höchste und die niedrigste Schnittkraft werden von den fünf in fünf Zerspanungsoperationen ermittelten Spitzenwerten F_max(1), F_max(2), . . ., F_max (5) ausgeschlossen. Nimmt man beispielsweise an, daß F_max (2) der höchste und F_max (3) der niedrigste Wert ist, werden die durchschnittliche (F_mittel) und die Standardabweichung (F_sigma) aus den Werten F_max(1), F_max(4) und F_max(5) berechnet.

Als Ergebnis kann die obere Grenze (F_ober) der Kriterien wie folgt bestimmt werden:

F_ober=F_mittel-α1×F_sigma

In dieser Gleichung ist α1 eine Proportionalitätskon stante, die aufgrund von Erfahrung und Wissen ermittelt wird.

Auf dieselbe Weise, wie vorher beschrieben, wird die untere Grenze (F_unter) der Kriterien wie folgt ermit telt: Der höchste und niedrigste Wert werden von den unteren Spitzenwerten F_min(1), F_min(2), . . ., F_min(5) ausgeschlossen. F_mittel und F_sigma werden dann aus den übrigen drei Werten ermittelt. Die untere Grenze (F_unter) wird aus der folgenden Gleichung berechnet:

F_unter=F_mittel-α2×F_sigma

Wenn eine erfaßte Schnittkraft unter Verwendung der Schwellenwerte der oberen (F_ober) und unteren Grenze (F_unter) beurteilt wird, liegt im Falle einer normalen Zerspanung gemäß Fig. 2-a die erfaßte Schnittkraft in dem Bereich zwischen der oberen und unteren Grenze.

Treten gemäß Fig. 2-b jedoch Vibrationen auf, über schreitet die erfaßte Schnittkraft die obere und untere Grenze in etwa mit der gleichen Frequenz.

Treten streifenförmige Kratzer gemäß Fig. 2-c auf, überschreitet die erfaßte Schnittkraft die obere Grenze der Schnittkraftkriterien.

Verhaken sich Späne gemäß Fig. 2-d, überschreitet die ermittelte Schnittkraft sowohl die obere als auch die untere Grenze, wobei die Häufigkeit des Überschreitens der oberen Grenze höher ist als die des Überschreitens der unteren Grenze. Mit anderen Worten, die durch schnittliche Schnittkraft wird erhöht.

Wird nicht die gesamte Oberfläche gemäß Fig. 2-e zer spant, überschreitet die erfaßte Schnittkraft die unte re Grenze der Kriterien.

Die vorstehende Beurteilung wird entsprechend den fol genden Kriterien unter Berücksichtigung von 16 aufein anderfolgenden Punkten durchgeführt, wobei die Erfas sung bzw. Aufnahme der Schnittkraft bei einer Frequenz von 5 kHz erfolgt.

Werden beispielsweise die Häufigkeit bzw. Frequenz, mit der die Schnittkraftwerte von 16 aufeinanderfolgenden Punkten die obere Grenze überschreiten, mit der Häufig keit, bei der die Schnittkraftwerte die untere Grenze überschreiten, verglichen, kann die Zerspansituation gemäß Tabelle 1 beurteilt werden. Wird die Anzahl der Punkte, die die Grenzen überschreiten, nicht geringer als 10, kann man daraus schließen, daß die Zerspansi tuation nicht normal ist.

Tabelle 1

Die genannten Häufigkeiten werden in der Speicherein richtung abgespeichert und mit den in Echtzeit erfaßten Schnittkraftwerten verglichen, um die Zerspansituation des Werkstücks zu beurteilen.

Die Diagramme der Fig. 4a bis 4c verdeutlichen die Beziehung zwischen der Schwankung der Schnittkraft und der Abweichung des Ausgangssignals. Die Fig. 4-a zeigt eine normale Zerspansituation, bei der die Schnittkraft am Punkt t nach Verstreichen von 80% der Zerspanungs zeit (s) weder die obere noch die untere Grenze über schreitet, und die Schnittkraft nach Beendigung des Zerspanens Null ist, was bedeutet, daß die Abweichung Null ist.

Das Diagramm in Fig. 4b zeigt eine Situation, bei der die Schnittkraft am Punkt t die untere Grenze über schreitet und die Schnittkraft nach Beendigung des Zer spanens aufgrund von Einflußfaktoren wie dem Anstieg der Temperatur geringer als der Null-Wert ist. Das Diagramm der Fig. 4c zeigt einen Zustand, bei dem die Schnittkraft am Punkt t die obere Grenze überschreitet, und die Schnittkraft aufgrund des Temperaturabfalls nicht auf den Null-Wert zurückgeht.

Überschreitet die Abweichung vom Null-Wert im Fall der Fig. 4b und 4c einen entsprechenden Wert, wird daraus geschlossen, daß der Schnittkraft-Erfassungshalter thermisch nicht ausgeglichen ist und sich in einem anomalen Zustand befindet.

Befindet sich der Kraftsensor 4, der eine Schnittkraft- Erfassungseinrichtung ist, in einem anomalen Zustand, kann das folgendermaßen ermittelt werden.

Die Fig. 5a zeigt einen Fall, bei dem der Kraftsensor 4 während des Zerspanungsvorgangs beschädigt wird. In diesem Fall wird die Erfassung der Schnittkraft selbst verständlich unterbrochen.

Wird ein neuer Kraftsensor 4 installiert, dessen Funk tion normal ist, schwankt die Schnittkraft gemäß Fig. 5b zu Beginn der Nullpunkteinstellung bzw. -kompensa tion. Unmittelbar danach kann die Schnittkraft ständig erfaßt werden.

Verhält sich der Kraftsensor 4 im umgekehrten Fall je doch anomal, kann die Schnittkraft gemäß Fig. 5-c überhaupt nicht erfaßt werden, selbst wenn ein Null punktabgleich durchgeführt wurde; in diesem Fall wird ein anomales Signalmuster erzeugt.

Entsprechend der Erfindung kann die Zerspansituation eines Werkstücks aufgrund eines objektiven Kriteriums beurteilt und in Echtzeit erkannt werden. Infolgedessen kann eine höchst zuverlässige automatische Ultra-Prä zisionszerspanungsvorrichtung bereitgestellt werden.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird nun die zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung be schrieben werden.

Die Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Zerspanungsvorrichtung entsprechend der zweiten bevor zugten Ausführungsform. Eine Zerspanungsvorrichtung gemäß der Erfindung ist zum Zerspanen eines dünnen me tallischen Zylinders zur Verwendung in einem Bilderzeu gungsgerät vorgesehen. Eine Drehbank 102 zerspant eine Photorezeptorwalze 101, die ein dünnes metallisches Zy linderelement ist, das in einem Kopierer oder Laserdrucker Verwendung findet. Die Drehbank 102 ist dazu mit einem Zerspanungswerkzeugsupport bzw. -auflagebock 103 sge rüstet. Der Zerspanungswerkzeugsupport 103 ist weiter hin mit einem Verstellmechanismus 104 ausgerüstet, der zur Einstellung des Zerspanungswerkzeugs A durch ein von außerhalb der Vorrichtung zugespeistes Steuersignal gesteuert werden kann. Ein Kraftsensor 105 zum Erfassen einer Schnittkraft während des Zerspanungsvorgangs ist auf dem Verstellmechanismus 104 angebracht. Dieser Kraftsensor 105 besteht aus einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer auf das Zerspanungswerkzeug A einwir kenden Schnittkraft. Ein durch den Kraftsensor 105 er zeugtes Ausgangssignal wird durch einen Belastungs-Ver stärker 106 verstärkt, mittels des A/D-Wandlers 107 in ein digitales Signal umgewandelt und dann einer Rechen einheit 108 zugespeist. Die Recheneinheit 108 ist mit einem IC-Speicher und einer (Speicher-) Platte verbun den, die eine Speichereinrichtung 109 bilden. Eine An zahl von im Speicher abgespeicherten und entsprechend dem Oberflächenzustand eines Werkstücks klassifizierten Betriebsmustersignalen wird mittels einer Vergleichsein richtung 110 mit einem durch den Kraftsensor 105 erzeug ten Ausgangssignal verglichen, so daß der Zerspanungs zustand ermittelt werden kann. Nachdem der Zerspanungs werkzeug-Einstellzustand erfaßt worden ist, wird ein Steuersignal zum Einstellen des Zerspanungswerkzeug-Ein stellzustands erzeugt und über eine digitale Signal schnittstelle und RS232C zum Verstellmechanismus 104 geleitet, so daß der Zerspanungswerkzeug-Einstellzu stand automatisch eingestellt werden kann.

Die schematische Darstellung in Fig. 7 zeigt den Auf bau der Zerspanungsvorrichtung, Fig. 8 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Bereich der Zerspanungsvorrich tung und Fig. 9 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV in Fig. 8.

Der Verstellmechanismus 104 der Zerspanungsvorrichtung ist so aufgebaut, daß er in den in den Fig. 13 und 14 gezeigten drei Richtungen der Spitzenhöhe, des Zerspa nungswerkzeug-Einstellwinkels und der Schnittiefe ein gestellt werden kann.

Da der Rollwinkel in Übereinstimmung mit dem Durchmes ser eines Werkstücks auf einen bestimmten Vorgabewert eingestellt wird, wird er in dieser Ausführungsform auf die folgende Weise eingestellt: Ein Abstandhalter 113 ist unterhalb eines Zerspanungswerkzeug- bzw. Dreh meißelhalters 112 vorgesehen, so daß der Halter 112 fixiert ist. Der Rollwinkel kann leicht durch ein von außerhalb der Zerspanungsvorrichtung zugespeistes Si gnal gesteuert werden, wenn das Zerspanungswerkzeug auf einem allgemein bekannten Mechanismus, bei dem eine drehbare Trägereinrichtung und ein Motor kombiniert sind, befestigt ist.

Im Hinblick auf die Richtung Z der Spitzenhöhe wird eine Z-Achsenbühne bzw. ein Schlitten 114 eingesetzt, wobei auf der Z-Achsenbühne eine X-Achsenbühne 115 be festigt ist, die in der Schnittrichtung x verschiebbar ist. Als Z-Achsenbühne 114 kann beispielsweise eine Z- Achsenbühne MSDZ-120 von Miyazawa Co., Ltd. und als X- Achsenbühne 115 eine X-Achsenbühne MSD-1-25 von Miyazawa Co., Ltd. verwendet werden.

Gemäß Fig. 7 ist auf der X-Achsenbühne 115 eine C-för mige Platte 116 mit einem Gegengewicht 116a an ihrem Ende, und ein Werkzeugwinkel-Einstellmechanismus 117 ist an der Seite der X-Achsenbühne 115 angeordnet.

Gemäß Fig. 9 ist die untere Seite eines Zerspanungs werkzeug- bzw. Drehmeißelhalter-Fixierbereichs 180 drehbar über ein Kugellager 182 durch eine Grundplatte 181 aufgenommen. Von einer Seite des Zerspanungswerk zeughalter-Fixierbereichs 180 wirkt eine Kraft mittels eines Luftzylinders 160, während das andere Ende durch einen Linear-Schubantrieb 146 gedrückt wird, so daß das Zerspanungswerkzeug verschoben wird. Als Schubantrieb 146 kann beispielsweise ein von Harmonic Drive System Co., Ltd. hergestellter Schubantrieb LA-30-10-F ver wendet werden.

Das Verstellsystem kann problemlos nicht nur durch den vorstehend beschriebenen Mechanismus verwirklicht wer den, sondern auch durch einen herkömmlichen Mechanis mus, bei dem ein Verschiebe- und ein Drehbewegungsme chanismus kombiniert sind.

Nachdem die Einstellungen hinsichtlich jeder der Rich tungen vorgenommen wurden, wird das Zerspanungswerkzeug mit einem (Druck-)Luft-Klemmechanismus 140, 141 fixiert bzw. festgehalten und daraufhin die Zerspanung durchge führt. Jeder der Bereiche wird eingespannt bzw. gelöst, wenn elektromagnetische Ventile 142, 143 durch ein von der Recheneinheit 108 über eine digitale I/O-Karte 148 übertragenes digitales Signal betätigt werden.

Die Z-Achsenbühne 114 und die X-Achsenbühne 115 werden durch eine eigene Steuereinheit (controller) 144 und einen Treiber 145 betätigt. Diese Steuereinheit (controller) 144 und dieser Treiber 145 sind mit der Recheneinheit 108 über beispielsweise eine RS232C- Schnittstelle verbunden.

Ein (Linear-)Schubantrieb 146 zum Einstellen der Werk zeug-Einstellwinkel wird ebenfalls durch einen eigenen Treiber 147 betätigt. Dieser Treiber 147 ist mit der Recheneinheit 108 durch eine digitale I/O-Karte 148 mit einem digitalen Signal verbunden.

Im Vergleich zu anderen Einstellgrößen muß der Werk zeug-Einstellwinkel genauestens gesteuert werden. Des halb wird die Neigung der Befestigung mittels zweier Verstell- bzw. Verschiebungssensoren 150, 151 gemessen, um den Werkzeug-Einstellwinkel zu ermitteln und darauf hin eine Rückkopplungsregelung durchzuführen. Die von den Verschiebungssensoren 150, 151 übermittelten Signa le werden durch einen Verstärker 152 verstärkt, mittels eines A/D-Wandlers 107 in ein digitales Signal umgewan delt und der Recheneinheit 108 zugespeist.

Diese zuvor beschriebene automatische Einstelleinrich tung wird in der Zerspanungsvorrichtung 104 verwendet, die mit der Drehbank 102 zum maschinellen Bearbeiten des in einem Kopierer und einem Laserdrucker eingesetz ten Walzenkörpers 101 eingesetzt wird.

Die von dem Kraftsensor 105 erzeugten (Erfassungs-)Si gnale können in den A/D-Wandler 107 eingespeist werden, nachdem sie mittels des Tiefpaß-, des Hochpaß- und des Bandpaßfilters gefiltert wurden; alternativ können die Signale auch in der Software gefiltert werden, nachdem die (Erfassungs-)Signale bereits A/D-gewandelt wurden. Auf diese Weise kann Rauschen aus den (Erfassungs-)Si gnalen entfernt werden.

Bei dieser Ausführungsform wird die Schnittkraft durch einen in ein Zerspanungswerkzeug integrierten Schnitt kraft-Erfassungshalter erfaßt, der auf den Seiten 111 bis 112 des in den Veröffentlichungen der Herbstver sammlung (Autumnal Convention) 1988 der Precision Engineering Society veröffentlichten Aufsatzes "An attempt of monoblock type three-component holder for cutting a magnetic disk" von Hiroshi Hatamura und Mitsuaki Adachi beschrieben ist. Die Größe dieses Halters entspricht der eines Halters eines herkömmlichen Zerspanungswerkzeugs bzw. Drehmeißels, so daß er eine kompakte Form und eine hohe Steifigkeit aufweist. Es wurde sogar bereits geprüft, daß eine Spiegel- bzw. Hochglanzoberfläche und eine genaue Form mit diesem Halter erzielt werden kann.

Für den Belastungs-Verstärker 106 kann ein von NEC San-ei Instruments, Ltd. hergestellter Belastungs-Ver stärker 6M84 verwendet werden. Als A/D-Wandler 107 kann eine von Contec Co., Ltd. hergestellte A/D-Wandlerkarte ADA12-8/2(98) und als digitale Zerspanungsstellenkarte eine von derselben Firma hergestellte I/O-Karte PIO-32/32 verwendet werden. Als Recheneinheit 108 kann ein PC-9801RX2 von NEC Co., Ltd. und als Verschiebungs sensoren 150, 151 ein AH-416 von Keyence Co., Ltd. verwendet werden.

Um eine Spiegel- bzw. Hochglanzoberfläche mit der vor genannten Zerspanungsvorrichtung zu erzielen, wurde eine im folgenden beschriebene Versuchszerspanung durch geführt.

Der Versuch zum Ermitteln der Schnittkraft wurde unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Die Spindel drehzahl betrug 3000/min, die Vorschubgeschwindigkeit 0,2 mm/Umdr. und die Schnittiefe 15 mm.

Die Fig. 10 zeigt eine Wellenform eines Ausgangssignals einer Schnittkraft (einer Hauptkraft) entsprechend einer normalen Zerspansituation, bei der eine Spiegel bzw. Hochglanzoberfläche erzielt werden kann, deren Oberflächenrauheit 0,2 S bis 0,3 S beträgt. Zusammen mit dem Beginn der Zerspanung wird die Schnittkraft erfaßt, und sie fällt zusammen mit der Beendigung der Zerspanung wieder auf Null ab. Die Abtastfrequenz die ser Wellenformwerte des Ausgangssignals der Schnitt kraft (der Hauptkraft) beträgt 5 kHz. Zur Vereinfachung sind einige der erhaltenen Werte weggelassen.

Das Diagramm in Fig. 11 zeigt eine Beziehung zwischen dem Schwankungswert F_p-p der Schnittkraft und dem Werk zeug-Einstellwinkel. Wird der Werkzeug-Einstellwinkel klein, entstehen streifenförmige Defekte bzw. Kratzer mit einer Breite von mehreren mm auf der Zerspanungsoberfläche, so daß die Schwankung bzw. die Verteilung der Schnittkraft extrem vergrößert wird. Entsprechend kann der Werkzeug-Einstellwinkel des Werkzeugs A automatisch gesteuert bzw. geregelt werden, indem diese Erscheinung rückgekoppelt wird, um den Einstellwinkel zu regeln, um eine Spiegel- bzw. Hochglanzoberfläche zu erzielen.

In Tabelle 2 werden die Ergebnisse eines Versuchs mit (verschiedenen) Werkzeug-Einstellwinkeln gezeigt.

Tabelle 2

Bei diesem Verfahren treten jedoch die folgenden Proble me auf: Der Werkzeug-Einstellwinkel konvergiert auf einen kleineren Wert als den am besten geeigneten Wert; selbst wenn während der Einstellung eine Spiegelober fläche erzielt wird, kann das nicht erkannt werden.

Die Erfinder zogen deshalb einen Wert in Erwägung, der ermittelt wurde, indem der Schwankungswert F_p-p der Schnittkraft durch den Durchschnittswert F_mittel ge teilt wird; sie bestätigten die folgende Tatsache: Wenn der Werkzeug-Einstellwinkel auf die Weise eingestellt wurde, daß der durch Teilen des Schwankungswerts F_p-p der Schnittkraft durch den Durchschnittswert F_mittel ermittelte Wert gemäß Fig. 12 minimal war, wurde eine Spiegeloberfläche erzielt.

Die Ergebnisse eines Versuchs der Einstellung des Werk zeug-Einstellwinkels werden in Tabelle 3 gezeigt. In diesem Versuch wurde die Einstellung des Einstellwin kels auf dieselbe Weise durchgeführt wie beim vorher beschriebenen Versuch. In diesem Versuch konnte erkannt werden, daß der Werkzeug-Einstellwinkel im Bereich der Spiegeloberfläche eingestellt war, so daß im Vergleich zum vorher beschriebenen Einstellverfahren die Anzahl der Einstellungen auf 1/2,5 und der Einstellfehler auf 1/2 verringert waren. Daher konnte der Werkzeug-Ein stellwinkel so genau eingestellt werden, daß eine Spie gel- bzw. Hochglanzoberfläche erzielt wurde.

Tabelle 3

Entsprechend der Erfindung kann der Werkzeug-Einstell winkel eines Zerspanungswerkzeugs automatisch auf einen sehr geeigneten Wert eingestellt werden, so daß eine Zerspanungsvorrichtung zum Erzielen einer genauen Spie geloberfläche bereitgestellt werden kann.

Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung wird im folgenden das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die schematische Darstellung in Fig. 15 zeigt die Skizze eines Aufbaus einer Zerspanungsvorrich tung. Eine Zerspanungsvorrichtung der Erfindung wird bereitgestellt, um einen dünnen metallischen Zylinder zur Verwendung in einem Bilderzeugungsgerät zu zerspa nen. Eine Drehbank 202 zerspant eine Photorezeptorwalze 201, die ein dünnes metallisches Zylinderelement ist, das in einem Kopierer oder Laserdrucker Verwendung findet; die Drehbank 202 ist dazu mit einem Zerspanungs werkzeug- bzw. Drehmeißelsupport oder -auflagebock aus gerüstet. Ein Kraftsensor 206 ist auf dem Zerspanungs werkzeugsupport 203 befestigt, wobei dieser Kraftsensor 206 aus einer Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer Schnittkraft eines Zerspanungswerkzeugs A gebildet ist. Ein von dem Kraftsensor 206 erzeugtes Erfassungssignal wird durch einen Belastungs-Verstärker 207 verstärkt, mittels eines A/D-Wandlers 208 in ein digitales Signal gewandelt und einer Recheneinheit 209 zugespeist. Die Recheneinheit 209 ist mit einem Speicher und einer (Speicher-)Platte verbunden, die als eine Aufzeich nungseinrichtung 210 dient. Signale einer Anzahl von Betriebsmustern, die in der Aufzeichnungseinrichtung 210 gespeichert und entsprechend einer (einem) Schneid- Schmiermittelzufuhrsituation bzw. -zustand und einer Spansammlungs- bzw. -entfernungssituation klassifiziert sind, werden mittels einer Vergleichseinrichtung 211 mit einem von dem Kraftsensor 206 erzeugten Ausgangs signal verglichen, um den Schneid-Schmiermittelversor gungs- bzw. -zufuhrzustand und den Spanentfernungszu stand zu ermitteln. Nachdem der vorstehende Schneid Schmiermittelversorgungszustand und der Spanentfernungs zustand ermittelt wurden, wird ein Steuersignal zum automatischen Steuern bzw. Regeln der Schneid-Schmier mittelzufuhrsituation und der Spanentfernungssituation erzeugt. Das Steuersignal wird zu einem Schneid-Schmier mittelzufuhrzustand-Einstellmechanismus 204 und zu einem Spanentfernungszustand-Einstellmechanismus 205 über eine digitale RS232C-Signalschnittstelle geleitet, so daß der Schneid-Schmiermittelversorgungszustand und der Spanentfernungszustand automatisch einstellt wer den.

In dieser Ausführungsform wird die Schnittkraft mit einem in ein Zerspanungswerkzeug integrierten Schnitt krafterfassungshalter erfaßt, der in dem Vorabdruck der ISPE, November 1989, auf den Seiten 547-548 in dem Aufsatz "Trial of a Monoblock Type 3-directional Force Sensor Holder for Disc Substrates of magnetic memory discs" von Y. Hatamura und M. Adachi beschrieben ist. Die Größe dieses Halters entspricht der eines Halters eines herkömmlichen Zerspanungswerkzeugs, so daß er eine kompakte Form und eine hohe Steifigkeit aufweist. Es wurde sogar bereits geprüft, daß eine Spiegelober fläche und eine genaue Form mit diesem Halter erreicht werden konnten.

Für den Belastungs-Verstärker 207 kann ein von NEC San-ei Instruments, Ltd. hergestellter Belastungs-Ver stärker 6M84, als A/D-Wandler 208 eine A/D-Wandlerkarte ADA12-8/2(98) von Contec Co., Ltd., als digitale Schnittstellenkarte eine I/O-Karte PIO-32/32, ebenfalls von Contec Co., Ltd., und als Recheneinheit 209 ein PC-9801RX2 von NEC Co., Ltd. verwendet werden.

In diesem Fall ist ein Werkstück ein dünner Zylinder aus Aluminium A5805, dessen Durchmesser 80 mm und des sen Dicke 1,5 mm beträgt. Es wurde ein flaches bzw. ebenes Zerspanungswerkzeug aus natürlichem Diamant verwendet. Die Zerspanungsbedingungen waren wie folgt: Die Spindeldrehzahl betrug 6000/min , die Vorschubge schwindigkeit 0,2 mm/Umdr. und die Schnittiefe 20 µm. Der Rollwinkel wurde auf 13° eingestellt.

Das Schneid-Schmiermittel wurde dem beschriebenen Zer spanungswerkzeug durch die im folgenden beschriebene Schneid-Schmiermittelzufuhreinrichtung 300 automatisch zugeführt.

Die Fig. 16a und 16b zeigen den Aufbau einer Schneid- Schmiermittelzufuhreinrichtung 300. Das Schneid-Schmier mittel in einem Tank 301 wird mittels Druckluft unter Druck gesetzt und mit einer Nadel- (bzw. nadelförmigen) Spritzpistole 302 versprüht. Zu diesem Zeitpunkt werden eine Menge des Schneid-Schmiermittels durch eine elek tronische Regeleinheit 303 eingestellt und der Sprüh druck mit der anderen elektronischen Regeleinheit 304 geregelt, so daß eine geeignete Menge des Schneid- Schmiermittels unter einem geeigneten Druck auf das Zer spanungswerkzeug gesprüht wird.

Die Fig. 18 zeigt eine Wellenform eines Ausgangssignals einer Schnittkraft (Hauptkraft) entsprechend einer nor malen Zerspansituation, bei der eine Spiegel- bzw. Hoch glanzoberfläche erzielt werden kann, wobei die Oberflä chenrauheit 0,2 S bis 0,3 S beträgt. Zusammen mit einem Beginn eines Zerspanungsvorgangs wird eine Schnittkraft erfaßt, und zusammen (zeitgleich) mit der Beendigung des Zerspanungsvorgangs kehrt die Schnittkraft wieder ungefähr auf Null zurück. Die Abtastfrequenz der Wellen formwerte des Ausgangssignals dieser Schnittkraft (Hauptkraft) beträgt 5 kHz. Zur Vereinfachung sind einige der Werte weggelassen.

In diesem Fall war keine Abweichung der Ausgangswellen formen aufgrund eines thermischen Einflusses im Zerspa nungsvorgang erkennbar. Entsprechend ist die zuzufüh rende Menge eines Schneid-Schmiermittels ausreichend, so daß die genannten elektronischen Regeleinheiten 303, 304 in einem ausgeglichenen Zustand gehalten werden.

Das Diagramm in Fig. 19a zeigt einen Zustand, bei dem selbst nach Beendigung eines Zerspanvorgangs die Schnittkraft nicht auf Null zurückkehrt, und eine Ab weichung der Ausgangswellenform aufgrund des Einflusses von während des Zerspanungsvorgangs erzeugter Wärme auftritt. Folglich ist daraus ersichtlich, daß die Zu fuhr von Zerspanungs-Schmiermittel zum Zerspanungswerk zeug nicht ausreichend ist.

In diesem Fall wird die elektronische Regeleinheit 303 automatisch so eingestellt, daß die Menge des Schneid- Schmiermittels vergrößert werden kann. Dementsprechend wird die Menge des von der Nadel-Spritzpistole 302 ver spritzten Schneid-Schmiermittels erhöht, so daß die Kühlung des Zerspanungswerkzeugs erleichtert werden kann. Falls notwendig, kann der Sprühdruck des Schneid- Schmiermittels mit der elektronischen Regeleinheit 304 eingestellt werden, um ihn zu erhöhen.

Das Diagramm in Fig. 19b zeigt einen Zustand, bei dem die Schnittkraft auf einen größeren Wert als Null zu rückkehrt, was bedeutet, daß eine umgekehrte Abweichung einer Ausgangswellenform auftritt. Entsprechend geht daraus hervor, daß eine überschüssige Menge an Schneid- Schmiermittel zugeführt wurde.

In diesem Fall wird die elektronische Regeleinheit 303 automatisch eingestellt, so daß die Zuführmenge des Schneid-Schmiermittels reduziert werden kann, und die von der Nadel-Spritzpistole 302 versprühte Menge des Schneid-Schmiermittels verringert wird, um eine zu große Kühlung des Zerspanungswerkzeugs zu verhindern. Falls notwendig, kann der Sprühdruck der elektronischen Regeleinheit 304 verringert werden.

Das Diagramm in Fig. 19-c zeigt eine Wellenform eines Ausgangssignals bei einem Zustand, bei dem Späne sich verfangen bzw. verfangen haben. In diesem Fall wird eine Abweichung einer Ausgangswellenform, die durch während des Zerspanungsvorgangs erzeugte Wärme verur sacht wird, nicht erkannt, und es wird eine Schnitt kraft mit anomal großen Amplituden erzeugt.

In diesem Fall wird nur der Sprühdruck der elektroni schen Regeleinheit 304 erhöht, so daß die verfangenen Späne zwangsläufig entfernt werden.

In dem Fall, in dem die Zerspanungsbedingungen bzw. die Zerspansituation nicht verbessert werden kann, selbst wenn die Menge des Schneid-Schmiermittels und der Sprüh druck eingestellt werden, werden die Position der Schneid-Schmiermittelzufuhr und der Spanentfernungs bzw. Sammlungszustand wie folgt eingestellt.

Gemäß Fig. 16b wird die Position der Zufuhr des Schneid-Schmiermittels so eingestellt, daß das Schneid- Schmiermittel direkt bzw. unmittelbar auf einen Zerspa nungspunkt in der folgenden Weise gesprüht werden kann: Ein (Linear-)Schubantrieb wird in der Richtung einer Pfeilmarkierung bewegt, ein Motor dreht sich in der Richtung einer Pfeilmarkierung, und ein Einstellwinkel der Nadel-Spritzpistole wird eingestellt.

Gemäß Fig. 17 wird eine Einstelleinrichtung 400 so ein gestellt, daß die Späne immer wirksam eingesammelt bzw. entfernt werden können.

Ein Spansammlungshaubeneinlaß 402 mit einem Paar von drehbaren Elementen, die entlang dem Endbereich eines Spanaufnahmeeinlasses 401 drehen können, ist mit einem schwingenden Element 404 verbunden, wobei das schwin gende Element 404 um eine Drehwelle 403 mittels eines (Linear-)Schubantriebs über eine Stange 405 in Schwin gung versetzt wird. Wird der (Linear-)Schubantrieb an gesteuert, kann eine Spansammlungsöffnung an der Spitze des Spansammlungshaubeneinlasses 402 in einer Richtung einer Pfeilmarkierung gemäß Fig. 17 gedreht werden. Ist ein durch einen Motor angetriebener Getriebemechanismus vorgesehen, kann die gesamte Vorrichtung in einer rol lenden Richtung gedreht werden.

Wird die Richtung des vorstehend beschriebenen Span sammlungshaubeneinlasses in Übereinstimmung mit der Richtung der von der Spitze des Zerspanungswerkzeuges A während der Zerspanung des Photorezeptorwalzenkörpers 201 erzeugten Späne eingestellt, werden die Späne effek tiv gesammelt und ein Verhaken der Späne kann verhin dert werden, so daß der Photorezeptorwalzenkörper 201 hervorragend bearbeitet werden kann.

Gemäß der Erfindung kann eine Zerspanungsvorrichtung bereitgestellt werden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Schneid-Schmiermittel ausreichend zugeführt und Späne effektiv gesammelt bzw. entfernt werden, so daß eine durch eine Abweichung oder ein Verhaken von Spänen verursachte anomale Zerspansituation verhindert und stets eine Spiegel- bzw. Hochglanzoberfläche erhalten werden kann.

Das vierte Beispiel der Zerspanungsvorrichtung dieser Erfindung wird im folgenden erklärt. Die Fig. 20 ist eine schematische Darstellung der Zerspanungsvorrich tung, und Fig. 21 ist ein Diagramm mit einer Ausgangs wellenform der Schnittkraft.

Eine Zerspanungsvorrichtung der Erfindung wird zum Zer spanen eines dünnen metallischen Zylinders zur Verwen dung in einem Bilderzeugungsgerät bereitgestellt. Eine Drehbank 502 zerspant eine Photorezeptorwalze 501, die ein dünnes metallisches Zylinderelement ist, das in einem Kopierer oder Laserdrucker Verwendung findet. Die Drehbank 502 ist dazu mit einem Zerspanungswerkzeug support bzw. -auflagebock 503 ausgerüstet. Ein Kraftsen sor 504, in dem Dehnungsmeßstreifen zum Einsatz kommen, ist auf dem Werkzeugsupport 503 befestigt. Dieser Kraft sensor 504 bildet eine Erfassungseinrichtung zum Erfas sen einer Schnittkraft des Zerspanungswerkzeugs A.

Ein von dem Kraftsensor 504 erzeugtes Erfassungssignal wird durch einen Belastungs-Verstärker 505 verstärkt, mittels eines A/D-Wandlers 506 in ein digitales Signal gewandelt und einer Recheneinheit 507 zugespeist. Die Recheneinheit 507 ist mit einem Speicher und einer (Speicher-)Platte verbunden, die als eine Aufzeich nungseinrichtung 508 dient. Eine Anzahl von Betriebs mustersignalen, die im Speicher gespeichert und ent sprechend dem Oberflächenzustand eines Werkstücks klas sifiziert sind, wird mittels einer Vergleichseinrich tung 509 mit einem durch den Kraftsensor 504 erzeugten Ausgangssignal verglichen, um den Zerspanungszustand zu ermitteln. In der Recheneinheit 507 wird nach der Erfas sung ein Signal zum Steuern der Zerspanung erzeugt. Das Steuersignal wird über eine digitale I/O-Karte und eine RS232C-Schnittstelle an eine NC-Einrichtung oder eine Programmfolgeeinrichtung 510 zum Steuern der Drehbank 502 geleitet.

Die von dem Kraftsensor 504 erzeugten Erfassungssignale können in den A/D-Wandler 506 eingespeist werden, nach dem sie durch die Tiefpaß-, Hochpaß- und Band paßfilter gefiltert wurden; sie können aber auch in der Software gefiltert werden, nachdem die Erfassungssigna le durch den A/D-Wandler 506 A/D-gewandelt wurden. Auf diese Weise kann Rauschen aus dem Erfassungssignal ent fernt werden.

In dieser Ausführungsform wird die Schnittkraft mit einem in ein Zerspanungswerkzeug integrierten Schnitt kraft-Erfassungshalter erfaßt, der in dem Aufsatz "Trial of a Monoblock Type 3-directional Force Sensor Holder for Disc Substrates of magnetic memory discs" von Y. Hatamura und M. Adachi in der Vorveröffentli chung der ISPE, November 1989, Seiten 547-548 be schrieben ist. Die Größe dieses Sensors entspricht der eines Halters eines herkömmlichen Zerspanungswerkzeugs, so daß er eine kompakte Form und eine hohe Steifigkeit aufweist. Tatsächlich wurde bereits überprüft, daß mit diesem Sensor eine Spiegeloberfläche und eine genaue Form erhalten wurden.

Als Belastungs-Verstärker 505 kann ein Belastungs-Ver stärker von Kyowa Dengyo Co., Ltd., als A/D-Wandler eine A/D-Wandlerkarte ADX-98E von Canopus Co., Ltd., als Schnittstellenkarte eine I/O-Karte PIO-24/24(98) von Contec Co., Ltd. und als Recheneinheit ein PC-9801UV von NEC Co., Ltd. verwendet werden.

Im folgenden wird ein Versuch beschrieben, bei dem eine Zerspansituation mit dieser Zerspanvorrichtung ermit telt wurde. In diesem Fall ist ein Werkstück ein dünner Zylinder aus Aluminium A5805, dessen Durchmesser 60 mm und dessen Dicke 1 mm betrug. Es wurde ein flaches bzw. ebenes Zerspanungswerkzeug aus natürlichem Diamant ein gesetzt. Die Zerspanungsbedingungen waren wie folgt: Die Spindeldrehzahl betrug 6000/min , die Vorschubge schwindigkeit 0,2 mm/Umdr. und die Schnittiefe 20 µm.

Beim maschinellen Bearbeiten des Photorezeptorwalzen körpers 501 ist der Oberflächenzustand wichtig. Die folgenden Defekte bzw. Fehler müssen verhindert wer den: Vibrationen bzw. Schwingungen, Kratzer, Verfangen von Spänen und nicht zerspante Bereiche. Bisher wurden diese Defekte durch eine visuelle Kontrolle erkannt. Es wurde jedoch herausgefunden, daß diese Defekte auch er mittelt werden können, wenn die Muster von Ausgangssi gnalen der Schnittkraft klassifiziert werden.

Wenn die Schnittkraft erfaßt wird, wird zunächst ge prüft, ob der Kraftsensor 504 normal arbeitet. Diese Überprüfung wird insbesondere auf die folgende Weise durchgeführt: Da der Kraftsensor 504 eine Kraft erfaßt, indem er die Kraft mit einem Dehnungsmeßstreifen in eine Belastung umwandelt, wird die Schaltung des Be lastungs-Verstärkers 505 vor dem Betrieb abgeglichen; liegt ein ermitteltes Ausgangssignal nach dem Abgleich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, wird daraus ge schlossen, daß der Sensor normal arbeitet. Liegt bei spielsweise ein Problem vor, wie ein Abbrechen eines Drahts im Schaltkreis des Sensors 504, liegt das er faßte Ausgangssignal nach dem Abgleich außerhalb des vorbestimmten Bereichs. Entsprechend kann daraus ge schlossen werden, daß der Sensor nicht normal arbeitet.

Das Diagramm in Fig. 21 zeigt ein Ausgangssignal einer Schnittkraft entsprechend einer normalen Zerspanungs situation, bei der eine Spiegeloberfläche erzielt wird, deren Oberflächenrauheit 0,2 S bis 0,3 S beträgt. Gleichzeitig mit dem Beginn der Zerspanung wird die Schnittkraft automatisch erfaßt und mit dem Anstieg des Ausgangssignals beurteilt. Gleichzeitig mit der Been digung der Zerspanung fällt das Ausgangssignal wieder auf Null ab. Wird das Abfallen des Ausgangssignals er faßt, wird die Beendigung der Zerspanung automatisch beurteilt.

Die Fig. 22 zeigt ein Detail des Aufbaus des Zerspa nungswerkzeugsupports bzw. -auflagebocks 503. Das Zer spanungswerkzeug A ist mittels einer Befestigung 530 an dem Kraftsensor 504 angebracht. Der Kraftsensor 504 ist mit dem Zerspanungswerkzeugsupport 503 verbunden.

Der Kraftsensor 504 ist auf die folgende Weise aufge baut: Eine rechteckige Öffnung 531B durchdringt den mittleren Bereich zwischen in der oberen und unteren Fläche ausgebildeten rechteckigen Nuten 531A; in Über einstimmung mit den rechteckigen Nuten 531A sind Deh nungsmeßstreifen 531 an der oberen und unteren Fläche der rechteckigen Öffnung 531B angebracht.

Der Kraftsensor 504 erfaßt die Schnittkraft des Zerspa nungswerkzeugs A, die während der maschinellen Bearbei tung des Photorezeptorwalzenkörpers 501 erzeugt wird. Die Erfassung erfolgt auf die Weise, daß die auf die obere oder untere Fläche der rechteckigen Öffnung 531B wirkende Druck- oder Zugspannung erfaßt und die erfaßte Schnittkraft in der zuvor beschriebenen Signal-Wellen form ausgegeben wird.

Ein schmaler Spalt G ist zwischen den oberen und unte ren Seiten des Kraftsensors 504 und Begrenzungselemen ten 532 angeordnet. In diesem Fall ist der Bodenbereich jedes Begrenzungselements 532 so an dem Kraftsensor 504 befestigt, daß der Bodenbereich mit dem Kraftsensor 504 in Berührung steht.

Ein piezoelektrisches Element P ist innerhalb jeder rechteckigen Öffnung 532B, die mit einer Nut bzw. einem Spalt 532A verbunden ist, in jedem Begrenzungselement der Zerspanungsvorrichtung der Erfindung vorgesehen. Der Spalt G wird fein eingestellt, wenn eine dem piezo elektrischen Element P aufgeprägte Spannung verändert wird.

Entsprechend wird zunächst eine statische Belastung auf das Zerspanungswerkzeug aufgebracht, während das Aus gangssignal des Kraftsensors 504 erfaßt wird; danach wird die auf den Sensor aufgebrachte Last schrittweise erhöht.

Der Spalt G ist so eingestellt, daß der Kraftsensor 504 nicht über einen vorbestimmten Wert innerhalb eines Grenzbereichs (beispielsweise wird der vorbestimmte Wert auf 50 bis 70% einer kritischen Belastung einge stellt) verformt werden kann. Selbst wenn eine auf das Zerspanungswerkzeug aufgebrachte Last erhöht wird, in dem eine dem piezoelektrischen Element P aufgeprägte Spannung eingestellt wird, ist die Verformung des Werk zeugsupports bzw. -auflagebocks 531 durch das Begren zungselement 532 begrenzt, so daß die Ausgabe des Kraft sensors 504 nicht über einen vorbestimmten Wert an steigt.

Ist die Zerspansituation normal und liegt die Schnitt kraft des Zerspanungswerkzeugs A in einem vorbestimmten Bereich, ist die elastische Verformung des Kraftsensors 504 auf einen Bereich des Spalts G beschränkt. Die Zer spanung kann deshalb kontinuierlich durchgeführt wer den, während der Kraftsensor 504 nicht in Kontakt mit jedem der Begrenzungselement 532 gelangt.

Im Fall einer anomalen Zerspansituation, eines Unfalls oder einer Kollision überschreitet die auf das Zerspa nungswerkzeug einwirkende Schnittkraft einen vorbe stimmten Bereich, so daß eine große Kraft auf den Kraft sensor 504 einwirkt. In diesem Fall wird der Kraftsen sor 504 verformt, und der Spalt G wird Null; der Kraft sensor 504 wird dadurch mit dem Begrenzungselement 532 in Berührung gebracht. Folglich wird die Verformung des Kraftsensors 504 durch das Begrenzungselement 532 begrenzt. Entsprechend wird der Kraftsensor 504 nicht über einen vorbestimmten Wert hinaus verformt, so daß die Beschädigung des Kraftsensors verhindert werden kann.

Das vorstehende Beispiel zeigt einen Mechanismus, um die Beschädigung des Kraftsensors 504 in Richtung einer Hauptkraft zu verhindern. Im Hinblick auf die Richtung einer Vorschubkraft und einer Radialkraft kann die Be schädigung des Kraftsensors 504 problemlos auf dieselbe Weise verhindert werden.

Im Falle des Kraftsensors, bei dem ein Dehnungs- bzw. Spannungsmesser oder Dehnungsmeßstreifen verwendet wird, kann die Beschädigung des Sensors problemlos durch Anwendung der Erfindung verhindert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine durch eine anomale Zerspanungssituation oder einen unvorhersehba ren Unfall verursachte Beschädigung eines in ein Zerspa nungswerkzeug integrierten Kraftsensors verhindert werden. Folglich kann eine Zerspanungsvorrichtung be reitgestellt werden, bei der eine Schnittkraft genau erfaßt wird, um dadurch stets eine Spiegel- bzw. Hoch glanzoberfläche zu erzielen.

Claims

1. Zerspanungsvorrichtung zum Fertigbearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks aus einem metallischen Material, das als ein Trägermaterial eines Photo rezeptors in einem Bilderzeugungsgerät verwendet wird, wobei die Zerspanungsvorrichtung umfaßt:
ein Zerspanungswerkzeug;
eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen einer vom Werkstück auf das Zerspanungswerkzeug ausgeüb ten Schnittkraft, die ein der Schnittkraft entspre chendes Kraftsignal erzeugt;
eine Speichereinrichtung zum Speichern einer Anzahl von Betriebsmusterwerten bzw. -daten, wobei die Betriebsmusterwerte Bezugswerte zum Unterschei den eines Oberflächengütezustands der Oberfläche von anderen, vorher klassifizierten Oberflächen gütezuständen sind;
eine Vergleichseinrichtung zum Durchführen einer Vergleichsanalyse zwischen dem Kraftsignal und den Betriebsmusterwerten; und
eine Bewertungseinrichtung zum Herausfinden des Oberflächengütezustands der Oberfläche bei der Fer tigbearbeitung basierend auf dem Ergebnis der Ver gleichsanalyse.

2. Vorrichtung von Anspruch 1, wobei die Betriebs musterwerte aus einer Analyse der Kraftsignale er halten werden, die in einem vor der Fertigbearbei tung der Oberfläche durchgeführten Test- bzw. Ver suchs-Zerspanungsvorgang erzeugt wurden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Betriebs musterwerte Bezugswerte umfassen, um einen anoma len Zustand der Erfassungseinrichtung von einem normalen Zustand derselben zu unterscheiden; und
die Bewertungseinrichtung basierend auf der Ver gleichsanalyse des Kraftsignals und der Bezugswer te bewertet bzw. beurteilt, ob die Erfassungsein richtung in den anomalen Zustand gelangt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bezugs werte Kraftwechselwerte im Kraftsignal umfassen, die auftreten, wenn die Vorrichtung die Fertigbe arbeitung der Oberfläche beendet; und
die Bewertung bzw. Beurteilung des anormalen Zustands der Erfassungseinrichtung auf einem Ver gleich zwischen den Kraftwechselwerten und dem Kraftsignal basiert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend:
eine Antriebseinrichtung zum Einstellen der Ein stellwinkel des Zerspanungswerkzeugs in einem Werk zeug-Einstellschritt, und
eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung zum Einstel len des Zerspanungswerkzeugs auf geeignete Ein stellwinkel mittels einer Steuerung der Antriebs einrichtung in der Art, daß ein Schwankungsverhält nis minimiert wird, wobei das Schwankungsverhältnis ein Verhältnis der Schwankung des Kraftsignals ge teilt durch einen Durchschnittswert desselben Kraft signals ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Betriebs musterwerte Bezugswerte umfassen, die einem anoma len Zustand in der Schmierung einer Spitze des Zer spanungswerkzeugs entsprechen, und
die Beurteilungseinrichtung ein Auftreten eines anomalen Zustands in der Schmierung basierend auf einer Vergleichsanalyse des Kraftsignals und der Bezugsdaten herausfindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiterhin umfassend eine Schmierungs-Steuer- bzw. -Regeleinrichtung zum Steuern bzw. Regeln der Schmierung, die auf das Herausfinden des Auftretens des anomalen Zustands durch die Beurteilungseinrichtung anspricht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Betriebs musterwerte Bezugswerte umfassen, die einem anoma len Zustand in der Spansammlung bzw. -entfernung vom Werkstück entsprechen, wobei der anomale Zu stand in der Spansammlung bzw. -entfernung eine Spanverdichtung bzw. -anhäufung und ein Verfangen eines Spans umfaßt; und
die Beurteilungseinrichtung ein Auftreten des anomalen Zustands in der Spansammlung bzw. -ent fernung beurteilt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin umfassend eine Schmierungs-Steuer- bzw. -Regeleinrichtung zum Steuern der Schmierung der Spitze des Zerspanungs werkzeugs ansprechend auf die Beurteilung durch die Beurteilungseinrichtung.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, weiterhin umfassend eine Sammlungs- bzw. Entfernungssteuer- bzw. -re geleinrichtung zum Steuern der Sammlung bzw. Ent fernung der Späne vom Werkstück ansprechend auf die Beurteilung durch die Beurteilungseinrichtung.