JP2004501777A - データ記憶要素を備えたスピンドル - Google Patents

Abstract

本発明は工作機械用スピンドル（９）に関する。このスピンドルは、電動機（１１）を収容するためのケーシング（１２）と、この電動機によって駆動可能な軸（１３）、特に工作物加工のための工具（１０）の工具保持固定具とを備えている。本発明に従い、スピンドルの運転データおよびまたは状態データを検出するための少なくとも１個のデータ検出要素（２）と、データ検出要素（２）の検出データを記憶するための、スピンドルに統合された少なくとも１個のデータ記憶要素（１）が設けられている。

Description

【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載した特徴を有する工作機械用スピンドルに関する。本発明は更に、請求項２３の前提部分に記載した特徴を有する、工作機械用スピンドルを運転するための方法に関する。
【０００２】
技術水準として工作機械用スピンドルが知られている。この場合、スピンドルは電動機を制御するためおよびスピンドルのデータ検出要素（センサ）のデータを検出するために、工作機械の機械制御装置に接続されている。例えば工作機械の機械制御装置に介入しないでスピンドルのメーカーによって、センサのデータを独立して検出または処理することは不可能である。
【０００３】
本発明の根底をなす課題は、工作機械の機械制御装置に介入せずに、スピンドルの運転データおよびまたは状態データを独立して検出することが可能である、工作機械用スピンドルと、工作機械用スピンドルを運転するための方法を提供することである。
【０００４】
この課題はスピンドルについては、請求項１の前提部分に記載した特徴に関連して、請求項１の特徴部分に記載した特徴によって解決される。スピンドルの有利な実施形は他の請求項２〜２２に記載されている。課題は、方法に関しては、請求項２３の前提部分に記載した特徴に関連して、請求項２３の特徴部分に記載した特徴によって解決される。方法の有利な変形は他の請求項２４〜３１に記載されている。
【０００５】
以下ににおいて、用語“スピンドル”は普遍的に理解すべきであり、例えばモータを収容するためのケーシングを備えたモータスピンドルや、外部の駆動モータを備えたベルト駆動のスピンドルを含む。スピンドルは更に、（例えば研削盤のための）工具保持固定のためあるいは（例えば旋盤のための）工作物保持固定のために使用可能である。
【０００６】
本発明によるスピンドルの場合、スピンドルのデータ検出要素（センサ）の検出データを記憶するための、スピンドルに統合された少なくとも１個のデータ記憶要素が設けられている。その際、用語“スピンドルに統合された”はスピンドルのケーシング内にデータ記憶要素を統合することと、スピンドルのケーシングの外側にデータ記憶要素を取付けることであると理解すべきである。
【０００７】
技術水準と異なり、データ記憶要素は工作機械のモータ制御装置に付設されていないし、空間的にモータ制御装置内に統合されていない。スピンドルを交換する際、工作機械の機械制御装置に介入する必要なしに、データ記憶要素はサービススタッフによって、すなわちスピンドルのメーカーによって読み出し可能であり、そして適当な診断装置をデータ記憶要素に接続可能である。それによって、所望される場合には、データ記憶要素への機械制御装置のアクセス（および工作機械のメーカーまたは経営者のアクセス）を、部分的にまたは完全に禁止することができる。従って、スピンドルのメーカーだけがスピンドルに関連する内部データおよび秘密データにアクセスすることができる。これは例えば機能障害に関連しておよびそれに伴う、スピンドルメーカーに対する、工作機械メーカーまたは経営者の保証要求に関連して重要である。
【０００８】
例えば軸受やモータの温度、角度位置、振動、漏れ等を検出するための複数のセンサがスピンドルに設けられていると有利である。このセンサは検出された運転データおよび状態データを、スピンドルに統合されたデータ記憶要素に記憶する。スピンドルの回転時、修理時またはスピンドルの交換時に、スピンドルに統合されたデータ記憶要素を読み出すことによって、スピンドルの運転状態を推定することができ、機能障害の原因を突き止めるかまたは調べることができる。
【０００９】
他の有利な実施形では、スピンドルがデータ記憶要素に連結されスピンドルに統合された、データ記憶要素に記憶されたスピンドルのセンサのデータを処理または調製するための少なくとも１個のデータ処理要素を備えている。それによって、スピンドルは統合されたＥＤＰユニットを備えることができる。このＥＤＰユニットでは、センサデータをデジタル化して処理することができる。この場合、異なるセンサの個々の測定量を組み合わせて処理することができるので、例えば温度データを回転数データに結びつけると、スピンドル軸の軸方向の移動をマイクロメートルのデータとして検出することができる。更に、データバス構造を作るためにセンサデータを処理することができる。
【００１０】
特に有利な実施形では、データ処理要素が、データ検出要素によって検出されたデータ、特に検出された振動信号をデータ圧縮する働きをする。このデータ圧縮は、データ処理要素に統合されたエンコーダによって行うことができる。それによって、データ検出要素によって検出されたデータ量の重要でない部分を無視することにより、このデータ量を減らすことができる。従って、例えば外部のＥＤＰ（電子データ処理）ステーションにデータを伝送するための、スピンドルに統合されたインターフェースを介して伝送可能なデータセットが少なくなる。この場合ＥＤＰステーションで、検出された振動信号の振動数分析を行うことができる。データ処理要素でのデータ圧縮によって、検出された振動信号は妥当である短い時間内に、データ処理要素から外部のＥＤＰステーションに伝送可能である。
【００１１】
個々のまたは所定の数の所望なセンサデータを機械制御装置に伝送するために、スピンドルのデータ記憶要素およびまたはデータ処理要素は工作機械の機械制御装置に接続可能である。その際、スピンドルのメーカーのためだけの所定のセンサデータの伝送を行わないようにすることができる。
【００１２】
他の有利な実施形でば、スピンドルのデータ記憶要素およびまたはデータ処理要素が、特に外部のＥＤＰステーションにデータを伝送できるようにするために、スピンドルに統合された少なくとも１個のインターフェースを備えている。
【００１３】
これに関連して特に、例えばパーソナルコンピュータのための差込みカード方式の、スピンドルに統合されたモデム要素が設けられている。それによって、外部のＥＤＰステーション（例えばスピンドルメーカーのパーソナルコンピュータ）からプロバイダを経てそれぞれのスピンドルにダイヤルインすることができ、そして外部のＥＤＰステーションと、データ記憶要素およびまたはデータ処理要素およびモデム要素からなるユニットとの間で、データを伝送することができる。
【００１４】
その際、スピンドルと外部のＥＤＰステーションとの間のデータ伝送は、スピンドルに統合された、インターネットデータプロトコル方式のインターフェースを介して行うことができる。外部のＥＤＰステーションとスピンドルの接続は必要時に電話線を介して行ってもよいし、専用ラインを設けてもよい。更に、すべてのラインシステム（例えば電源網も）をデータ伝送のために使用可能である。
【００１５】
有利な実施形では、必要時に、スピンドルによって、外部のＥＤＰステーションとデータ接続を行うことができるので、スピンドルから出発して、外部のＥＤＰステーションのＩＰアドレスを選択することにより、２台のパーソナルコンピュータの間のようにデータ接続が行われる。
【００１６】
インターネットデータプロトコルに従ってデータ伝送する際に、補足的にまたは代替的に、ＴＣＰ／ＩＰデータプロトコル（伝送制御プロトコル／インターネットプロトコル）、ＳＭＴＰデータプロトコル（シンプルメールトランスファープロトコル）、ＰＯＰデータプロトコル（郵便局プロトコル）、ＨＴＴＰデータプロトコル（ハイパーテキストトランスファープロトコル）、ＮＮＴＰデータプロトコル（ネットワークニューストランスファープロトコル）、ＦＴＰデータプロトコル（ファイルトランスファープロトコル）およびまたはＷＡＰデータプロトコル（ワイヤレスアプリケーションプロトコル）を使用することができる。
【００１７】
その都度のデータプロトコルの選択は特に、伝送すべきデータの種類と量に依存する。サービススタッフはデータ記憶要素から移動電話を介してスピンドルの所定の特性値を呼び出すことが所望される場合には、例えばＷＡＰデータプロトコル（ワイヤレスアプリケーションプロトコル）によってデータを伝送することができる。
【００１８】
スピンドルに統合されたインターフェースはケーブルによってまたはケーブルレスで（例えば無線信号、赤外線信号等）データを伝送するように形成可能である。ワイヤレスのデータ伝送の場合、例えばサービススタッフによって適当な無線制御または赤外線制御のデータリーダを介して、スピンドルに統合されたデータ検出要素に記憶されたセンサデータを読み取ることができる。
【００１９】
スピンドルに統合されたインターフェースは例えばＲＳ２３２／ＲＳ４８５インターフェースとして形成可能である。それによって、現場でサービススタッフによって診断コンピュータとして利用される外部のＥＤＰステーションを、存在するセンサデータを読み出すために、スピンドルに統合されたデータ記憶要素およびまたはデータ検出要素に接続することができる。
【００２０】
更に、インターフェースは、例えば規格ＵＳＢ（ＰＣ）、ＰＲＯＦＩＢＵＳ−ＤＰ、ＩＮＴＥＲＢＵＳ−Ｓ、ＣＡＮ−ＢＵＳおよびＳＥＲＣＯＳによるデータバスプロトコルによって伝送するためにデータバスインターフェースとして形成可能である。
【００２１】
その際、スピンドルに統合されたインターフェースは例えば外部のＥＤＰステーションに接続可能であり、所望されれば工作機械の機械制御装置に接続可能である。それによって、機械制御装置は、スピンドルに統合されたデータ記憶要素およびまたはデータ検出要素に（制限されて）アクセスすることができる。スピンドルに統合されたインターフェースはチェック機能を有し、その都度異なるデータストリームを工作機械の機械制御装置にデータ伝送するためにも、外部のＥＤＰステーションにデータ伝送するためにも使用可能である。
【００２２】
その代わりに、スピンドルに統合された２個のインターフェースを設けることができる。このインターフェースの一方は機械制御装置に対する接続部であり、他方は外部のＥＤＰステーションに対する接続部である。
【００２３】
用語“外部のＥＤＰステーション”は、データ伝送のためのデータ受信およびまたは送信に適したすべての技術的要素を含んでいる。これは例えばサービススタッフのローカルＥＤＰ診断システム、移動電話またはデータ遠隔伝送（例えばインターネット接続）を介してスピンドルに接続されたパーソナルコンピュータあるいはスピンドルメーカーのＥＤＰシステムである。
【００２４】
工作機械用機械スピンドルを運転するための本発明による方法の場合には、スピンドルに統合された少なくとも１個のデータ記憶要素を介して、スピンドルのデータ検出要素（センサ）の検出データが記憶される。付加的に、スピンドルに統合されたデータ処理要素を設けることができる。このデータ処理要素によって、データ記憶装置に記憶されたセンサデータの処理が行われる。
【００２５】
スピンドルと特に外部のＥＤＰステーションとの間のデータ伝送および通信は、スピンドルのインターフェースを介して行うことができる。このインターフェースを介して、スピンドルから出発してあるいは外部のＥＤＰステーションから出発して、データ接続を行い、維持することができる。
【００２６】
特に有利な方法変形では、データ検出要素によって検出された振動信号のデータ圧縮がデータ処理要素において行われる。この場合、データ量が大幅に減少し、例えば周波数分析または周波数監視のために、スピンドルに統合されたデータインターフェースを介して例えば外部のＥＤＰステーションに、残っているデータ量を高速伝送することができる。その際、データ圧縮法として、オーディオ信号のデータ圧縮のために既に知られている方法（例えば“ＭＰＥＧ１Ｐａｒｔ３”規格による圧縮法）を用いることができる。
【００２７】
“ＭＰＥＧ１Ｐａｒｔ３”規格による圧縮法の変形の場合、好ましくはそこで使用される、使用者の主観的な聴覚に指向した、データ圧縮のための心理音響的なモデルが、他の圧縮モデル、例えば機械音響的なモデル、振動発生のモデルまたは機械動作のモデルによって置き換えられる。
【００２８】
従って、スピンドルのスピンドル軸支承部の支承要素（例えば玉軸受）の特徴的な周波数を検出し、圧縮しそして転送可能である。玉軸受の周波数監視に関連して、保持器周波数、内側リング／外側リング転動周波数、この周波数の変調によって生じる側波帯等が発生する。玉軸受の特徴的な周波数は玉軸受の構造によって構造的に設定され、そしてデータ処理要素に統合されたエンコーダの圧縮モデルのために使用可能である。
【００２９】
これによって、データ検出要素によって検出された信号情報を大幅に減らすことができ、それに伴いスピンドルインターフェースを介して外部のＥＤＰステーションにデータを高速伝送することができる。外部のＥＤＰステーションでは、伝送されたデータの解凍をデコーダによって行うことができる。
【００３０】
具体的な例では、本発明によるスピンドルを約６００００回転／分のスピンドル軸回転数で運転する際に、スピンドルの駆動モータの約８ｋＨｚの妨害周波数が発生し得る。同時に、検出および監視すべきである、スピンドル軸の軸受要素の保持器回転周波数は約０．４ｋＨｚの大きさで発生する。機械音響的な圧縮モデルの場合には、不所望な８ｋＨｚの妨害周波数が抑制され、データ処理要素のエンコーダでのデータ圧縮時に考慮されない。
【００３１】
一般的に、任意の多彩で洗練された圧縮モデルが考えられ、その都度のスピンドル構造およびその都度の運転条件に適合可能である。
【００３２】
図に示した実施の形態に基づいて本発明を詳しく説明する。
【００３３】
図はケーシング１２を備えたスピンドル（主軸）９の概略的な断面図である。このケーシング内には電動機１１が収納されている。この電動機は軸受１４，１５に支承された、工具１０を有する軸１３を駆動する。
【００３４】
図に従って、運転時に電動機１１と軸受１４，１５の範囲に発生する熱は冷却装置１６，１７によって排出される。
【００３５】
更に、液圧ユニット１８が設けられている。この液圧ユニットは工具１０の交換のために作動可能である。
【００３６】
図に示していない工作機械内にスピンドル９が収容されている。この工作機械の機械制御装置４は、例えば工具交換要素１９、潤滑機器２０、周波数変換器２１および冷却機器２２を制御するために役立つ。これらの要素または機器はそれぞれ、図示のように、特に液圧ユニット１８、電動機１１および冷却装置１６，１７に連結されている。
【００３７】
スピンドル９はデータ検出要素（センサ）２、例えば温度センサ、振動センサ、角度センサまたは回転数センサ等を備えている。
【００３８】
このようなデータ検出要素２は技術水準のスピンドルの場合、例えばデータ検出要素２ｂ（回転数センサ）のように、センサデータを記憶するために、機械制御装置４、例えば周波数変換器２１に接続されている（図示していない）。
【００３９】
本発明では、温度センサ２ａや回転数センサ２ｂとして例示的に示したデータ検出要素２は、スピンドルに統合（一体化）されたデータ記憶要素１に接続されている。
【００４０】
データ記憶要素１には、データ検出要素２ａ，２ｂと図示していない他のデータ検出要素のセンサデータが記憶され、所望される場合にはスピンドルに統合されたデータ処理要素３において処理または組み合わせられる。
【００４１】
データ記憶要素１とデータ検出要素２は、所望される場合には同様にスピンドルに統合されたモデム要素を使用して、インターフェース５を介して読み出し可能である。
【００４２】
インターフェース５を介して、外部のＥＤＰ（電子データ処理）ステーション６または電話接続部８とのデータ接続２４を行うことができる。
【００４３】
ＥＤＰステーション６とデータ記憶要素１およびまたはデータ検出要素２との間のデータ交換は、上述のように、いろいろな（インターネット）データプロトコルに従って行うことができ、ケーブルなしに（例えば無線または赤外線等によって）あるいはケーブルで接続して行うことができる。
【００４４】
その際、ＥＤＰステーション６はスピンドル９のすぐ近くの周囲に配置可能であり、例えば診断コンピュータとしてサービススタッフによって使用可能である。更に、パーソナルコンピュータとしてまたは例えばスピンドル９のメーカーのＥＤＰシステムとしてのＥＤＰステーション６は、データ接続部２４（例えばインターネット接続部）を介してのデータ伝送によって、データ記憶要素１またはデータ検出要素２と通信することができる。
【００４５】
それによって本発明では、機械制御装置４への介入およびそれに伴う、工作機械のメーカまたはサービス業者の同意なしに、データ検出要素２、すなわちスピンドルに統合されたセンサのデータを独立して検出および読み出すことができる。
【００４６】
インターフェース５は接続部２５を介してモータ制御装置４に接続することができる。この場合、データ記憶要素１とデータ検出要素２のデータの符号化またはその他の識別によって、データ検出要素２のどのセンサデータを機械制御装置４またはＥＤＰステーションに転送するかを決定することができる。
【００４７】
本発明によるスピンドル９により、スピンドル内部で検出されたデータ検出要素２のセンサデータを選択的に、スピンドル内部でデータ記憶要素１に記録する（例えばデータ処理要素３での他の処理のために）かあるいは機械制御装置４に転送することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ケーシングを備えたスピンドルの概略的な断面図である。

Claims (31)

1. 電動機を収容するためのケーシングと、この電動機によって駆動可能な軸、特に工作物加工のための工具の工具保持固定具とを備え、スピンドルの運転データおよびまたは状態データを検出するための少なくとも１個のデータ検出要素が設けられている、工作機械用スピンドル、特に電動機スピンドルにおいて、データ検出要素（２）の検出データを記憶するための、スピンドルに統合された少なくとも１個のデータ記憶要素（１）が設けられていることを特徴とするスピンドル。
2. データ記憶要素（１）に連結されスピンドルに統合された少なくとも１個のデータ処理要素（３）が設けられていることを特徴とする請求項１記載のスピンドル。
3. データ検出要素（２）の検出データをデータ圧縮するためのデータ処理要素（３）が設けられていることを特徴とする請求項２記載のスピンドル。
4. データ記憶要素（１）およびまたはデータ処理要素（３）がデータ伝送のために工作機械の機械制御装置（４）に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のスピンドル。
5. データ記憶要素（１）およびまたはデータ処理要素（３）が、特に外部のＥＤＰステーション（６）にデータを伝送するための、スピンドルに統合された少なくとも１個のインターフェース（５）を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のスピンドル。
6. 特に電話接続部（８）とのデータ接続を行うための、スピンドルに統合されたモデム要素（７）が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のスピンドル。
7. インターネットデータプロトコルに従ってデータを伝送するためのインターフェース（５）が設けられていることを特徴とする請求項５または６記載のスピンドル。
8. インターフェース（５）がＴＣＰ／ＩＰデータプロトコルに従ってデータを伝送する働きをすることを特徴とする請求項７記載のスピンドル。
9. インターフェース（５）がＳＭＴＰデータプロトコルに従ってデータを伝送する働きをすることを特徴とする請求項７または８記載のスピンドル。
10. インターフェース（５）がＰＯＰデータプロトコルに従ってデータを伝送する働きをすることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載のスピンドル。
11. インターフェース（５）がＨＴＴＰデータプロトコルに従ってデータを伝送する働きをすることを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一つに記載のスピンドル。
12. インターフェース（５）がＮＮＴＰデータプロトコルに従ってデータを伝送する働きをすることを特徴とする請求項７〜１１のいずれか一つに記載のスピンドル。
13. インターフェース（５）がＦＴＰデータプロトコルに従ってデータを伝送する働きをすることを特徴とする請求項７〜１２のいずれか一つに記載のスピンドル。
14. インターフェース（５）がＷＡＰデータプロトコルに従ってデータを伝送する働きをすることを特徴とする請求項７〜１３のいずれか一つに記載のスピンドル。
15. データ記憶要素（１）およびまたはデータ処理要素（３）が割り当てられたＩＰアドレスを有することを特徴とする請求項７〜１４のいずれか一つに記載のスピンドル。
16. インターフェース（５）がケーブルなしに（例えば無線信号、赤外線信号等を介して）データ伝送するように形成されていることを特徴とする請求項５〜１５のいずれか一つに記載のスピンドル。
17. インターフェース（５）がＲＳ２３２／ＲＳ４８５インターフェースとして形成されていることを特徴とする請求項５〜１６のいずれか一つに記載のスピンドル。
18. インターフェース（５）がＵＳＢ（ＰＣ）プロトコルに従ってデータを伝送するためのデータバスインターフェースとして形成されていることを特徴とする請求項５〜１７のいずれか一つに記載のスピンドル。
19. インターフェース（５）がＰＲＯＦＩＢＵＳ−ＤＰプロトコルに従ってデータを伝送するためのデータバスインターフェースとして形成されていることを特徴とする請求項５〜１８のいずれか一つに記載のスピンドル。
20. インターフェース（５）がＩＮＴＥＲＢＵＳ−Ｓプロトコルに従ってデータを伝送するためのデータバスインターフェースとして形成されていることを特徴とする請求項５〜１９のいずれか一つに記載のスピンドル。
21. インターフェース（５）がＣＡＮ−ＢＵＳプロトコルに従ってデータを伝送するためのデータバスインターフェースとして形成されていることを特徴とする請求項５〜２０のいずれか一つに記載のスピンドル。
22. インターフェース（５）がＳＥＲＣＯＳプロトコルに従ってデータを伝送するためのデータバスインターフェースとして形成されていることを特徴とする請求項５〜２１のいずれか一つに記載のスピンドル。
23. 電動機を収容するためのケーシングと、この電動機によって駆動可能な軸、特に工作物加工のための工具の工具保持固定具とを備え、スピンドルの運転データおよびまたは状態データを検出するための少なくとも１個のデータ検出要素が設けられている、スピンドル、特に工作機械用機械スピンドルを運転するための方法において、スピンドルに統合された少なくとも１個のデータ記憶要素を介して、データ検出要素の検出データを記憶することを特徴とする方法。
24. スピンドルに統合された少なくとも１個のデータ処理要素において、データ記憶要素に記憶されたデータの処理を行うことを特徴とする請求項２３記載の方法。
25. データ記憶要素およびまたはデータ処理要素のインターフェースを介して、外部のＥＤＰステーションとのデータ伝送を行うことを特徴とする請求項２３または２４記載の方法。
26. データ記憶要素およびまたはデータ処理要素を介して、スピンドルの自己診断を行うことを特徴とする請求項２３〜２５のいずれか一つに記載の方法。
27. 例えば機能障害の場合に、インターフェースを介して、スピンドルから外部のＥＤＰステーションにデータ信号を伝送することを特徴とする請求項２５または２６記載の方法。
28. 外部のＥＤＰステーションからデータ伝送によってスピンドルの状態データおよびまたは運転データを呼び出すことを特徴とする請求項２５〜２７のいずれか一つに記載の方法。
29. データ処理要素内で、データ検出要素によって検出されたデータのデータ圧縮を行うことを特徴とする請求項２４〜２８のいずれか一つに記載の方法。
30. 特に検出された振動信号をデータ圧縮するために適したデータ圧縮法によってデータ圧縮を行うことを特徴とする請求項２９記載の方法。
31. “ＭＥＰＧ−１Ｐａｒｔ３”規格によるデータ圧縮法または類似の圧縮法によってデータ圧縮を行うことを特徴とする請求項３０記載の方法。